Взаимодействие веществ в сплавах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный

технический университет»

Институт новых информационных технологий

Факультет Инженерно-экономический

Кафедра «МТНМ»

Контрольная работа

По дисциплине «Материаловедение»

Вариант № 3

Студент группы 9ТСа-1

А.В. Коркин

Преподаватель

А.А. Шпилева

Шифр 06-272Д

2011

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

Тантал (лат. Tantalum), Та, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 73, атомная масса 180,948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе находится в виде двух изотопов: стабильного ¹⁸¹Та (99,99%) и радиоактивного ¹⁸⁰Та (0,012%; T_Ѕ = 10¹² лет). Из искусственно полученных радиоактивный ¹⁸²Та (Т_Ѕ = 115,1 сут) используют как радиоактивный индикатор.

Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А.Г. Эксбергом; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала (из-за трудностей получения Tантала в чистом виде). Пластичный металлический Тантал впервые получил в 1903 году немецкий химик В. Больтон.

Физические свойства Тантала. Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Е); атомный радиус 1,46 Е, ионные радиусы Та²⁺ 0,88 Е, Та⁵⁺ 0,66 Е; плотность 16,6 г/см³ при 20 °С; t_пл2996 °С; Т_кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) [0,034 кал/(г·°С)]; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) [0,13 кал/ (см·сек·°С)]. Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10^-6(20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10^-8 ом·м, при 2000 °С 87·10^-8 ом·м. При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10^-6 (18 °С). Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Тантала 190 Гн/м² (190·10² кгс/мм²) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м² (20,6 кгс/мм²) при 27 °С и 190 Мн/м² (19 кгс/мм²) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м² (50 кгс/мм²). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.

2.Вычертите диаграмму состояние системы алюминий - германий. Опишите взаимодействие компонентов жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данный системе с помощью правил Курнакова

Диаграмма состояния Бl-Ge является диаграммой эвтектического типа. Промежуточные фазы не образуются. Она характеризуется эвтектическим превращением при температуре 424°Сэвтектической точкой при содержании 30,3 % (ат.) Ge. Дальнейшие исследования не внесли каких-либо существенных изменений в изображении фазовых равновесий. Используя высокочистые материалы, содержащие 99,999 % (по массе) А1, 99,999 % (по массе) Ge, температура эвтектики была определена равной 415,5 °С. Эвтектика кристаллизуется при содержании 28,4 % (ат.) При давлении 2 ГПа образование эвтектики происходит при концентрации 43,4 % (ат.) Ge и температуре 440 °С.

В результате рентгеновского анализа максимальная растворимость Ge в (А1) равна 2,8 % . С понижением температуры растворимость Ge в А1 уменьшается. При температурах 395, 294 и 177°С она составляет 1,97, 0,55 и 0,2% Ge, соответственно. Методом обратного рассеивания ионов определена растворимость Ge в тонком слое Аl толщиной 100--600нм, которая составляет 0,034; 0,034; 0,056; 0,176; 0,77; 0,78; 1,45% (ат.) Ge при температурах 120, 160, 205, 250, 310, 350 и 395° С, соответственно.

По данным рентгеновского, микроструктурного анализов, измерения микротвердости и удельного электросопротивления максимальная растворимость Ge в (А1) под действием высокого давления 2ГПа увеличивается от 2,8 до 7,3 % Ge. При давлении ~7 ГПа и температуре 400 °С она может достигать -18 % Ge.

Солидус системы А1--Ge в области, богатой Ge, имеет ретроградный характер. растворимость А1 в (Ge) при температуре 925, 900, 675, 500, 300 °С составляет 0,17; 0,43; 0,97; 0,92; 0,63 % (ат.). Согласно результатам микроструктурного анализа и измерения микротвердости максимальная растворимость А1 в (Ge) при эвтектической температуре составляет 1,2 % (ат.); ретроградный характер измерения растворимости не обнаружен.

3. Для чего применяется отжиг после наклепа холоднокатаных прутков стали МСтЗ? Выбор режима отжига

Применяется для сплавов предварительно подвергнутых холодной пластической деформации с целью устранения строчечной структуры.

4. Вычертите диаграмму состояния железо- карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С (с применением правил фаз) для сплава, содержащего 0,3% С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, т.е. процентное содержание углеворода в фазах при этой температуре; количественное соотношение фаз

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием б (д)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в г-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD,начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических - аустенит+ледебурит, эвтектических - ледебурит и заэвтектических - цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении г-железа в б-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727єС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные - перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727єС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727єС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,3 %С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре - перлит + ферррит.

5. Покажите графически режим отжига для получения перлитного ковкого чугуна. Опишите структурные превращения, происходящие в процессе отжига, и механические свойства чугуна после термической обработки

тантал алюминий германий отжиг чугун

Ковкие чугуны получают из белых чугунов путем графитизирующего отжига (томление).

Рисунок 3 - График режимов отжига белого чугуна на ковкий

Отжиг проводится в две стадии. Сначала отливки белого чугуна нагревают в течение 20-25 ч до температуры 950-970 °С. Во время выдержки (15 ч) при этой температуре протекает первая стадия графитизации, г. е. распад цементита, входящего в состав ледебурита (A + Fe₃C), и установление стабильного равновесия аустенит + графит. В результате распада цементита образуется хлопьевидный графит. Затем отливки медленно охлаждают (в течение 6-12 ч) до температуры 720 °С. При охлаждении происходит выделение из аустенита вторичного графита и рост графитовых включений. По достижении температуры 720 °С дают вторую длительную выдержку, при которой происходит распад цементита, входящего в перлит, на феррит и графит. Вторая стадия графитизации длится около 30 ч, и после ее завершения структура чугуна состоит из графита и феррита. Излом ферритного чугуна бархатисто-черный ввиду большого количества графита.

Если вторую стадию графитизации не проводят, то получают ковкий чугун со структурой графит + перлит. Излом такого чугуна светлый. Для ускорения отжига белого чугуна на ковкий принимают различные меры: чугун модифицируют алюминием (реже бором или висмутом), повышают температуру нагрева перед разливкой, проводят перед отжигом закалку, повышают температуру первой стадии графитизации (до 1080 °С) и т. д. Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ -- ковкий чугун и цифрами. Первые цифры обозначают предел прочности при растяжении, вторые -- относительное удлинение (%). Например: КЧ45-6; у_ф=450 МПа, =6 %.Из ковкого чугуна изготовляют картер заднего моста, чашки дифференциала, тормозные колодки, ступицы колес для автомобилей и др.Чугуны со специальными свойствами используются в тех случаях, когда отливка кроме прочности должна обладать специфическими свойствами (износостойкостью, коррозионной стойкостью, жаростойкостью и т. д.).

Размещено на Allbest.ru