Федеральное агентство пообразованию Государственное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования
«Норильский индустриальныйинститут»
Кафедра
Технологические машины иоборудование
Контрольная работа №1
по Материаловедению
Выполнила студентка группы
ММ-07(з) Андреева О.М. Шифр 07331
Проверила: Сарафанова А.Я.
Норильск 2010
1. Опишитеусловия получения крупнозернистой структуры при самопроизвольно развивающейсякристаллизации (используя теорию Тамманна)
Систематическоеисследование процесса образования центров кристаллизации и их роста вначале напрозрачных органических веществах, а затем и металлах было проведено Г.Тамманом. Им установлена в общем виде зависимость между числом центровкристаллизации, скоростью роста и степенью переохлаждения. Однако более поздниеисследования процессов кристаллизации, особенно исследования А. А. Бочвара, К.П. Бунина и др., показали ограниченное значение схемы Таммана для процессакристаллизации реальных жидких металлов, поскольку они содержат нерастворенные(взвешенные) частицы, служащие центрами кристаллизации. Все же многиезакономерности, установленные Тамманом на основе опытов, нашли качественноеподтверждение в последующих работах и оказывайте полезными при анализепроцессов кристаллизации.
Исследуякристаллизацию прозрачных органических веществ при разных температурах, Г.Тамман установил, что число зарождающихся в единицу времени кристаллов искорость роста кристаллов определяются степенью переохлаждения. Зависимость числозарождающихся в единицу времени кристаллов и скорость роста кристаллов отпереохлаждения выражается кривой с максимумом. При теоретической температурекристаллизации (л = 0) значения числа зарождающихся в единицу временикристаллов и скорость роста кристаллов равны нулю и процесс кристаллизации идтине может, что находится в полном соответствии с изложенным выше положением онеобходимости переохлаждения для протекания процесса. С увеличениемпереохлаждения значения числа зарождающихся в единицу времени кристаллов искорость роста кристаллов возрастают, достигают максимума и затем понижаются;при больших величинах переохлаждения практически падают до нуля.
Увеличение числа зарождающихсяв единицу времени кристаллов и скорость роста кристаллов при малых степеняхпереохлаждения обусловлено тем, что вблизи равновесной точки (/>,) подвижностьатомов велика и ускорение кристаллизации с увеличением степени переохлаждениявызывается увеличением разности свободных энергий жидкого и кристаллическогосостояний. Снижение числа зарождающихся в единицу времени кристаллов и скоростьроста при больших степенях переохлаждения вызвано тем, что при большихпереохлаждениях и, следовательно, при низких температурах подвижность атомовуменьшена, а тем самым уменьшена и способность системы к превращению. Прибольших степенях переохлаждения число зарождающихся в единицу временикристаллов и скорость роста кристаллов становятся равными нулю, так как подвижностьатомов уже недостаточна для того, чтобы осуществилась перестройка их изхаотического расположения в жидкости в правильное в кристалле.
Размер образовавшихся кристалловзависит от соотношения величин скорости роста кристаллов и числа зарождающихсяв единицу времени кристаллов при температуре кристаллизации, при данной степенипереохлажден. При большом значении скорости роста кристаллизации и маломзначении числа зарождающихся в единицу времени кристаллов, образуются немногочисленныекрупные кристаллы; при малых значениях скорости роста кристаллов и больших числазарождающихся в единицу времени кристаллов (большое переохлаждение) образуете большоечисло мелких кристаллов. Наконец, в соответствии с кривыми Таммана если удаетсяочень сильно переохладить жидкость без кристаллизации, то скорость ростакристаллов и числа зарождающихся в единицу времени кристаллов становятсяравными нулю, жидкость сохраняется непревращенной, незакристаллизовавшейся. Соли,силикаты, органические вещества весьма склонны к переохлаждению. Для металловже требуется переохладить жидкость до температуры, когда подвижность атомовстанет мала и такое состояние окажется достаточно устойчивым.
/>
Рис.1 Кинетическаякривая кристаллизации.
Рис.2 Скорость ростакристаллов и скорость зарождения центров кристаллизации в зависимости отстепени переохлаждения.
2. Вычертите диаграммусостояния системы свинец-олово. Опишите взаимодействие компонентов в жидком итвердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммысостояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе спомощью правила Курнакова
/>А
ЛинияАСВ является линией ликвидус (начало кристаллизации), линия DСЕлинией солидус (конец кристаллизяции). На линии АС начинают ( приохлаждении) выделяться кристаллы свинца, а на линии СВ — кристаллы олова.На линии DСЕизжидкости концентрации 13% одновременно выделяются кристаллы свинца и олова.
Нижеэвтектической горизонтали DCEнаходятся две фазы – кристаллы свинца и олова. Левее эвтектической концентрациииз жидкости выделяются вначале кристаллы свинца, а затем эвтектика. Поэтомуструктурное состояние доэвтектического сплава можно обозначить через свинец +эвтектика ( свинец + олово) и заэвтектического В + эвтектика (свинец + олово) .
3. Опишителинейные несовершенства кристаллического строения и их влияние на свойстваметаллов
Линейныедефекты. Линейные несовершенства имеют малые размеры в двухизмерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенстваназываются дислокациями. Кристаллическая решетка с краевыми дислокациямипоказана на рис. 1.
Краеваядислокация (рис. 1, б и в) представляет собой локализованное искажение кристаллическойрешетки, вызванное наличием в ней «лишней»атомной полуплоскости илиэкстраплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа.
Наиболеепростои и наглядный способ образования дислокаций в кристалле— сдвиг (рис. 1,а)Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одномежатомное расстояние, причем зафиксироватьположение, при котором сдвигохватывает не всю плоскость скольжения, а только часть ее АВСD,тограница АВ между участком, где скольжение уже произошло, и не нарушеннымучастком в плоскости скольжения и будет дислокацией (рис. 1, а).
Если экстраплоскостьнаходится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной иобозначают ┴ (рис. 1, в), а если в нижней-то отрицательной иобозначают ┬ (рис. 1, г).
/>
Рис.1 Краевыедислокации: а – сдвиг, создавший краевую дислокацию; б – пространственная схемакраевой дислокации; в, г – схемы расположения атомов у дислокации.
Кромекраевых различают еще винтовые дислокации. Винтовые дислокации в отличие откраевых располагаются параллельно направлению сдвига (линия АDнарис. 2), При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать каксостоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности.На рис. 2, б показано расположение атомов на винтовой поверхности вдоль винтовойдислокации.
Дислокацииокружены полями упругих напряжений, вызывающих искажение кристаллическойрешетки. В краевой дислокации выше края экстраплоскости межатомные расстоянияменьше нормальных, а ниже края — больше.
/>
Рис.2Винтовая дислокация: а – сдвиг, создавший винтовую дислокацию; б – расположениеатомов.
Энергияискажения кристаллической решетки является одной из важнейших характеристикдислокации любого тина. Чтобы оценить степень искажения решетки, вызваннойлинейной дислокацией, следует сравнить совершенный кристалл с кристаллом,содержащим дислокацию. Критерием этого искажения служит вектор Бюргерса.
Определениевектора Бюргерса для кристалла, содержащего винтовую дислокацию, производятаналогично. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к ее линии, ау винтовой — параллелен ей. Если вектор Бюргерса охватывает несколькодислокаций, то величина его соответствует геометрической сумме векторовотдельных дислокаций. Вектор Бюргерса позволяет найти силы, требуемые дляпродвижения дислокации, силы взаимодействия и энергию дислокаций и т. д.
Дислокацииобразуются в процессе кристаллизации металлов (при срастании зерен и блоков) изгруппы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовыхпревращений.
Силовые(упругие) поля дислокаций взаимодействуют между собой. Если дислокации,расположенные в одной плоскости скольжения, обладают одинаковым знаком, то ониотталкиваются одна от другой); если дислокации разного знака, то они взаимнопритягиваются. Сближение дислокаций разного знака приводят к их взаимномууничтожению (аннигиляции).
Дислокациине могут обрываться внутри кристаллита. Они мо! \ г прерываться на другихдислокациях или на границах раздела' (границы зерен, поверхность кристалла и т.д.). В связи с этим внутри кристалла дислокации образуют замкнутые петли иливзаимосвязанные сетки.
Важнойхарактеристикой дислокаций является плотность. Под плотностью дислокацийпонимают суммарную длину дислокации (см), приходящуюся на единицу объема Vкристалла (/>). Таким образом,размерность плотность дислокаций (см2).
/>
Плотностьдислокации экспериментально определяют путем подсчета числа выходов дислокаций,пересекающих единицу площади металлографическою шлифа. При травленииметаллографического шлифа на его поверхности можно выявить ямки или точки,соответствующие выходу дислокации.
4. /> />
Вычертитедиаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие вовсех областях диаграммы состояния, опишите превращения и постройте кривуюохлаждения в интервале температур от 1600 до 0°С (с применением правила фаз)для сплава, содержащего 1,6% С. Выберите для заданного сплава любуютемпературу, лежащую между линиями ликвидуса и солидуса, и определите: составфаз, т. е. процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношениефаз
ЛинияАВСП является ликвидусом системы, линия AHJECF— солидусом.
Таккак железо, кроме того, что образует с углеродом химическое соединение Fe3С,имеет две аллотропические формы α и γто в системе существуют следующие фазы:
жидкость(жидкийраствор углерода в железе), существующая выше линии ликвидус, обозначаемаявезде буквой L;
цементитFeэС— линия DFKL,обозначаемаяв дальнейшем химической формулой или буквой Ц;
феррит—структурная составляющая, представляющая собой α-железо, которое в незначительномколичестве растворяет углерод; обозначается буквой Ф, α или />. Областьферрита в системе железо — углерод расположена левее линии GPQи AHN.
аустенит—структура, представляющая собой твердый раствор углерода в γ-железе.Область аустенита на диаграмме — NJESG.Обозначаетсяаустенит А, γ или Feу(С).
Сплавы,содержащие 1.6% С, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиямиВС и JЕ.Нижелипни ВС сплавы состоят из жидкой фазы и аустенита. В процессекристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус, а аустенита —по линии солидус.
Послезатвердевания (ниже линии солидус JЕ)сплавыполучают однофазную структуру — аустенит.
Первичныекристаллы аустенита (так же как и δ-феррита) имеют вид дендритов, величинаи строение которых определяются перегревом металла выше линии ликвидус, егосоставом и условиями охлаждения в процессе кристаллизации.
/>
Определяемпроцентное содержание углерода в фазах:
/>
/>
Количественноесоотношение фаз определяем по графику:
Построим кривуюохлаждения:
/>температура/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
А+Ф(δ)/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
А
/>/>/>/>/>/>/> />
/>/> перлит
Время
5. В структуре углеродистой стали 30 после закалки необнаруживается остаточного аустенита. В структуре углеродистой стали У12 послезакалки наблюдается до 30% остаточного аустенита. Объясните причину этогоявления в связи с мартенситными кривыми для данных сталей. Какой обработкойможно устранить остаточный аустенит?
Мартенситноепревращение не протекает до конца), поэтому в закаленных сталях, имеющих точку />ниже 20°С, аименно в углеродистых сталях, содержащих свыше 0,4 — 0,5% С, присутствуетостаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температура точек Мни Мк, т. е. чем выше содержание в аустените углерода илегирующих элементов (за исключением Со и А1). В стали с 0,6—1,0% С количествоостаточного аустенита не превышает 10%, а в стали, содержащей 1,3 — 1,5% С, онодостигает 30-50%,
Внекоторых сталях с высоким содержанием углерода и легирующих элементов — например, в стали с 1,3%С и 12% Сг, количество остаточного аустенита послезакалки с высоких температур может достигать 80-100%. Это объясняется снижениемтемпературы, соответствующей точке Мн в область отрицательныхтемператур. При больших количествах остаточного аустенита (20 — 30%) его можнонаблюдать в микроструктуре закаленной стали в виде светлых нолей между игламимартенсита.
Еслизадержать на некоторое время охлаждение при температуре, лежащей нижетемпературы, соответствующей точке Мн например 20°С, тоаустенит, сохранившийся непревращенным при охлаждении до этой температуры,становится более устойчивым. Подобная стабилизация аустенита выражается в том,что при последующем понижении температуры превращение аустенита в мартенситвозобновляется не сразу, а происходит при более низкой температуре и менееинтенсивно. Количество образующегося в итоге мартенсита оказываемся меньше, чемпри непрерывном охлаждении. Это явление стабилизации проявляется более сильно винтервале температур Мн — Мк и зависит оттемпературы, при которой задерживалось охлаждение. Температура, ниже которойпроявляется этот эффект стабилизации, по предложению А. П. Гуляева,обозначается Мс. Явление стабилизации иногда объясняют релаксациейнапряжений, которые стимулируют мартенситное превращение.
Остаточнойобработкой можно устранить термической обработкой, например отжиг.