Пластическая деформация скольжением в монокристаллах (зёрнах). Плоскости легчайшего скольжения

ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ                
 БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра:«Технология металлов и металловедения»
 









КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА №1
 
Вариант № 4
Студент группы З-04 ТМ1            Малашенко  Д.В.               
Преподаватель                               Давыдов С.В.                   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Брянск 2006
Содержание:
1. Структурная диаграмма состояния железо-цементит. Для сплава содержащего 2,14 % С, построим  кривую охлаждения, для сплава 3,5 %С -нагревания. При температуре 1250°С определим относительноеколичество фаз исодержание углеродав растворе…….Стр. 3.


2. Пластическая деформация скольжением вмонокристаллах (зернах).
Плоскости легчайшего скольжения………………………………. Стр.7.


3. Отжиг. Виды отжигасталей………………………………. Стр.11 .


4. Пуансоны  из стали  Р8МЗК6С для  холодной  обрезки с  высокой производительностью  шестигранных   головок   болтов  из   сталей   высокой прочности и твердости……………………………Стр. 15.


5.   Пиноли   из  стали   18ХГТ   металлорежущих   станков.  Твердость поверхности НRС 58...62, глубина упрочненного слоя0,4...0,5 мм.                           ……………………………….Стр. 17.

6. Списокиспользованной литературы:………………………Стр.19.







1. Структурная диаграмма состояния железо-цементит. Для сплава содержащего 2,14 % С, построим  кривую охлаждения, для сплава 3,5 %С -нагревания. При температуре 1250°С определим относительноеколичество фаз исодержание углеродав растворе.
На рисунке 1 приведена диаграмма состоянияжелезо — углерод (цементит). Она показывает фазовый состав и структуру сплавовс концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С).
ТочкаА (1539° С) на диаграмме соответствует темпе­ратуре плавления чистого железа, аточка D(~ 1550°С) — температуре    плавления     цементита    Fе3С.    Точки   N (1401°С)  и  G (910°С)  соответствуют   аллотропическому превращению α — железа  в γ — железо. Точка E характеризует предельную растворимость углерода в γ — железе при 1130° С (2,0% С).
Первичная кристаллизация. Процесс кристаллизации сплавовначинается по   достижении   температур,  соответствующих линии АВСD (линия ликвидус).Конец затвердевания соответствует температурам, образующим линию солидус АНJЕСF.
Верхний левый уголдиаграммы характеризует пре­вращения, связанные с аллотропическим превращением γ↔α (δ) при высоких температурах. По линии АВ из жидкости выделяются кристаллытвердого раствора углерода в α-железе (δ -раствор).
В сплавах ссодержанием до 0,1% С кристаллизация заканчивается при температурах, соответствующихлинии АН, с образованием δ (α) — твердогораствора   H J H— линия перитектическогопревращения, протекающего при постоянной температуре (С = 2+1-3 = 0). Резуль­татом перитектическогопревращения является образование твердого раствора углерода в γ -железе, т. е. ауcтенита.
Сплавы, содержащиеот 0,1 до 0,15% С, испытывают перитектическое превращение(ЖВ+α(δ)Н →α(δ) + γJ) в результате которогообразуется двухфазная структура δ (α) -раствор +γ -раствор(аустенит). В сплаве, содер­жащем 0,15% С (точка J), исходные кристаллы α(δ)-твердого раствора и вся жидкая фаза при перитектичес-ком превращении полностью расходуются наобразова­ние аустенита:
ЖB + α (δ)H  → γJ(аустенит).
В сплавах,содержащих от 0,15 до 0,5% С, при перитектическомпревращении α(δ)-твердыйраствор расхо­дуется полностью, а жидкая фаза остается в избытке:
ЖВ+ α(δ)Н →ЖВ+γJ (аустенит),
Поэтому притемпературах ниже линии JВ сплав бу­дет двухфазным: аустенит (γ-твердый раствор) +жидкость. Процесс кристаллизациизакончится по достиже­нии температур, соответствующих линии солидус JЕ. После затвердевания эти сплавыприобретают однофаз­ную структуру —  аустенит.
При температурах,соответствующих линии ВС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии СО — цементит. В точке С при 1130°С иконцентрации угле­рода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристалли­зуютсяаустенит и цементит, образуя эвтектику, которая называется ледебуритом.
Сплавы, содержащиеот 0,15 до 2,0% С, кристаллизу­ются в интервале температур, ограниченномлиниями ВС и JE. После затвердевания (ниже линии солидус JЕ) сплавы получают однофазнуюструктуру — аустенит.
 При кристаллизации доэвтектическихсплавов, содержащих от 2,0 до 4,3% С, из жидкой фазы по достиже­нии температур,соответствующих линии ликвидус ВС, сначалавыделяются кристаллы аустенита, а при 1130°С (линия ЕС) сплавы затвердевают с образованием эв­тектики— ледебурита.Следовательно, доэвтектические сплавы после затвердевания и при температурахвыше 723°С имеют структуру аустенит + ледебурит.
Заэвтектическиесплавы, содержащие от 4,3 до 6,67% С, начинают затвердевать по достижении темпе­ратур,соответствующих линии СD. Первоначально из жидкой фазы выделяютсякристаллы цементита, а по достижении 1130°С (линия СF) сплавы окончательнозатвердевают с образованием эвтектики — ледебу­рита.
После затвердеванияструктура сплава состоит из кристаллов цементита + ледебурит. Цементит, образую­щийсяиз жидкой фазы, называют первичным цементи­том.
Сплавы железа суглеродом, содержащие до 2,0% С, называют сталью; сплавы, содержащие более 2,0%С,— чугуном.
Принятоеразграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостьюуглерода в аустените. Стали после затвердевания не содержат мало­пластичнойструктурной составляющей—ледебурита и при высоком нагреве имеют только аустенитную струк­туру, обладающую высокой пластичностью.Поэтому стали легко деформируются, т. е. являются ковкими сплавами.
По сравнению состалью чугуны обладают лучшими литейными свойствами и, в частности, болеенизкими температурами плавления, но они хрупки и практически не поддаютсяковке. Это объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой и хрупкойэвтектики — ледебурита или графита.
Вторичная кристаллизация. Рассмотрим превращения,протекающие в твердом состоянии. Эти превращения связаны с переходом приохлаждении γ-железа вα-железо и распадом аустенита.
Линия GS на диаграмме при охлажде­нии соответствуеттемпературам начала превращения γ→α. Ниже линии GS из аустенита выделяется фер­рит. Критические точки, образующие линию GS в усло­виях равновесия, принято обозначать Аr3 при охлажде­нии и Ac3 при нагреве (конец растворения феррита).
Линия ЕS показывает изменениерастворимости уг­лерода в аустените с изменением температуры и при охлаждениисоответствует температурам начала распа­да аустенита с выделением из негоцементита.
Цементит,выделяющийся из аустенита, в отличие от цементита, кристаллизующегося из жидкойфазы, назы­вают вторичным цементитом. Критические точки, обра­зующие линию ES, обозначают Аcт.
Точка S при 723°С и концентрации углерода 0,8% показываетминимальную температуру равновесного существования аустенита при охлаждении.
По достижении 723°Спроисходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси, которую называютперлитом. Эвтектоид— перлит получается в результате одновременного выпадения изаустенита частиц ферри­та и цементита. Таким образом, перлит содержит 0,8% С,образуется при 723°С и представляет собой механиче­скую смесь двух фаз—ферритаи цементита. Температуру фазового равновесия (723°С, линия РSК) аустенит ↔ перлит(феррит + цементит) обоз­начают Аr1 (при охлаждении) и Аc1 (при нагреве).
Точка Р характеризует предельнуюрастворимость углерода в α-железе при эвтектоиднойтемпературе 723°С; она составляет 0,025% С.
Линия РQ показывает изменение растворимости уг­лерода в α-железе в зависимости от температуры и со­ответствуетпри охлаждении началу выделения из фер­рита избыточного цементита. Следовательно,сплавы ле­вее точки Q состоят только из феррита, асплавы, кон­центрация которых находится в пределах от Q до Р, имеют двухфазнуюструктуру: феррит и избыточный це­ментит, выделяющийся из твердого раствора припони­жении температуры. Цементит, образующийся из фер­рита, называют третичнымцементитом.
Сплавы, содержащие не более 0,025% С,называют техническим железом.
Сплавы, имеющие концентрацию углерода от0,025 (точка Р) до 0,8% (точка S), называют доэвтектоиднымисталями. Они имеют структуру феррита, выделяюще­гося из аустенита в области температурАr3 и Аr1 и пер­лита, образующегося из аустенита подостижении тем­пературы Аr1 (723°С, линия РS).
Сталь с 0,8% С называется эвтектоидной. Онаимеет в структуре только эвтектоид — перлит.
Стали, содержащие от 0,8 до 2,0% С,называются заэвтектоидными. Они имеют структуру, состоящую из вторичногоцементита, выделившегося из аустенита при температурах ниже линии SE (Аcт), и перлита, образо­вавшегося в результате распадааустенита по достиже­нии эвтектоидной температуры (723°С, линия РSK).
В доэвтектическихчугунах при понижении темпера­туры вследствие уменьшения растворимости углеродав аустените, указываемого линией SЕ, происходит частич­ный распад аустеннта:первичных кристаллов, выделив­шихся из жидкости, и аустенита, входящего вледебурит. Этот распад заключается в выделении кристаллов вто­ричного цементитаи в уменьшении содержания углеро­да в аустените.
По достижении температуры, соответствующейлинии РSK (723°С), аустенит, объедненныйуглеродом до эвтектоидного состава (0,8% С),превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны после оконча­тельногоохлаждения имеют структуру перлита, ледебу­рита (перлит + цементит) ивторичного цементита.
Эвтектический чугун (4,3% С) при температурахниже 723°С состоит только из ледебурита.
Заэвтектический чугун при температурах ниже723°С состоит из первичного цементита и ледебурита.

Для сплава содержащего 2,14% С,построим кривую
охлажденияния (Рис. 2)
Начало затвердевания доэвтектического чугуна,содержащего 2,14% С, соответствует температуре t1 на линии ликвидус.Ниже сплав имеет двухфазное состояние — жидкость и кристаллы аустенита.
Кристаллизация аустенита протекает при изменении температуры (С = 2+1-2=1),и на кривой охлаждения отмечается перелом. Состав жидкости изменяется по линииликвидус, а аустенита по линии солидус.
При 1130°С (линия ЕСF) аустенит достигает предельной концентрации, указываемойточкой Е (2% С), а оставшаяся жидкость — эвтектического состава 4,3% С (точкаС). Она затвердевает при одновременной кристаллизации двух фаз — аустенита ицементита, образующих ледебурит.
Процесс эвтектической кристаллизации протекает при постоянной температуре(на кривой охлаждения наблюдается остановка), так как при наличии трех фаз — аустенита(2,0% С), цементита (6,67% С) и жидкости (4,3%С) число степеней свободы равнонулю (С = 2+1  -3 = 0).
После затвердевания чугун состоит из кристаллов аустенита предельнойконцентрации и ледебурита.
При дальнейшем понижении температуры из аустенита выделяется цементит.Состав аустенита при этом изменяется по линии SЕ.
При 723°С (линия РSК) аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидногосостава, распадается с одновременным выделением двух фаз — феррита и цементита,образующих перлит.
Для сплава содержащего 3.5% С, построимкривую нагревания (Рис. 3)
Перед нагреванием чугун состоит из кристаллов аустенита предельной концентрациииз которого выделился цементит и ледебурита.
 При 723°С (линия РSК) аустенит,обедненный углеродом до эвтектоидного состава, превращаетсяс одновременным выделением двух фаз — феррита и цементита, образующих перлит.
Процесс нагревания эвтектического чугуна протекает при постояннойтемпературе (на кривой охлаждения наблюдается остановка), так как при наличиитрех фаз — ау-стенита (2,0% С), цементита (6,67% С) ижидкости (4,3%С) число степеней свободы равно нулю (С = 2+1  -3 = 0).
При 1130°С (линия ЕСF) аустенит достигает предельной концентрации,указываемой точкой Е (2% С), а получаемая жидкость — эвтектического состава4,3% С (точка С). Она расплавляется из одновременно кристаллизованных двух фаз- аустенита и цементита, образующих ледебурит.
Расплавление аустенита протекает при изменении температуры (С = 2+1-2=1), ина кривой охлаждения отмечается перелом. Состав жидкости изменяется по линииликвидус, а аустенита по линии солидус сплав имеет двухфазное состояние — жидкость и кристаллы аустенита.
Завершение перехода доэвтектического чугуна,содержащего 3,5% С, из твёрдого состояния в жидкое соответствует температуре t1на линии ликвидус.













2. Пластическая деформация скольжением в монокристаллах(зёрнах).
Плоскости легчайшего скольжения.
Упругой деформацией называется деформация,кото­рая полностью снимается после воздействия внешних сил. Упругая деформация не вызыва­етзаметных изменений в структуре и свойствах металла; под дей­ствием приложенной нагрузки происходитлишь незначительное относительное смещениеатомов. При растяжении монокристалла атомы удаляются один от друго­го, а при сжатии сближаются. При такомсмещении атомов из положения равновесиянарушает­ся баланс электростатическихсил протяжения и отталкивания. После снятия нагрузки под дей­ствием силпритяжения или от­талкивания смещенные атомывозвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретаютсвои первоначальные формы и размеры.
Величина упругого растяжения очень мала и линейно зависитот нагрузки согласно закону Гука.

где             упругая  деформация   кристалла;
Е — модуль упругости, которыйхарактеризует жесткость материала, т. е. его сопротивле­ние упругим деформациям.
Модульупругости мало зависит от структуры метал­ла (сплава) и его обработки и определяетсясилами межатомиой связи.
Пластическаядеформация. При некотором напряже­нии σт, называемом пределомтекучести, нарушается прямая пропорциональность между σ и ∆l и возникаетостаточная — пластическая деформация, не исчезающая после снятия нагрузки.Пластическая деформация связа­на с зарождением и перемещением дислокаций внутризерен и вызывает остаточные изменения формы. После снятия нагрузки тело невосстанавливает своей прежней формы, структурыи свойств.
Пластическая деформация в кристаллах можетосу­ществляться скольжением и двойникованием.
Скольжение (смещение)отдельных частей кристал­ла происходит под действием касательныхнапряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигаютопределенной критической вели­чины (τк).
На рис. 4 приведена схема упругой ипластической деформаций металла скубической решеткой, подвергну­того действию касательных напряжений. Этасхема дает наглядное представление осмещении атомов в соседних плоскостях при сдвиге на одно межатомное расстоя­ние.
Скольжение в кристаллической решеткепротекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где величина сопротивления сдвигу (τк) на­именьшая.
Это объясняется тем,что в указанных направлениях величина перемещения атома из одного положения рав­новесия в другое будет минимальной,а расстояние между соседними атомными плоскостяминаибольшее, т. е. связь между ними наименьшая.











Рис. 4. Схема упругой и остаточной деформаций сдвига: а-ненапряженный  кристалл;   б — упругая  деформация;   в — увеличение  упру­гой  и  пластической деформаций;   вызванных скольжением  при нагрузке,   боль­ше   предела   упругости;   г —.нагрузка,   вызывающая   сдвиг,   удалена,   сохрани­лась   остаточная   деформация.                                 Пунктиром   показана   плоскость   скольжения

                      







Рис. 5.  Кристаллографические    плоскости и напря­жения скольжения:
а —кубическаягранецентрированная решетка (К12). Всего четыре плоскости по тринаправления в каждой; б — куби­ческаяобъемно-центрированная решетка (К8). Всего шесть плоскостей по двум направлениям в каждой; в — гексаго­нальнаярешетка (Г12);