Основы материаловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для алюминия

Рисунок 1 - Кривая нагревания алюминия

Фаза б - первичный твердый раствор, изоморфный, с элементарной гранецентрированной кубической кристаллической решеткой. При медленном охлаждении сплава до температуры 400С б-фаза образует ближний порядок, что приводит к заметному снижению ее электросопротивления, которое продолжается и при температуре ниже 200°С в результате устранения дефектов упаковки.

Фаза в - твердый раствор, образующийся на основе стехиометрического состава Cu₃Аl непосредственно из расплава при температуре 1036-1079°С, с элементарной центрированной кубической кристаллической решеткой. Фаза в - пластична, электропроводна и стабильна при температуре выше 565°С. При быстром охлаждении сплава (со скоростью >2°С/мин) она испытывает резкие превращения типа мартенситовых, образуя промежуточные фазы (рис. 1). При медленном охлаждении (< 2°С/мин) в -фаза распадается наэвтектоид б+г₂ образованием крупнозернистой г₂ фазы, выделяющейся в виде непрерывных цепей, придающим сплаву хрупкость. Фаза г₂ (Cu₉Al₄), образующаяся из фазы г', стабильна при низких температурах, хрупкая и твердая, с электропроводностью меньшей, чем у в -фазы.

Фаза б₂, образующаяся при температуре 363°С в результате перитектоидной реакции между фазами б и г₂, имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку, но с другими параметрами.

Метастабильные фазы в сплавах: в₁ - с элементарной центрированной кубической кристаллической решеткой (а - 5,84 Е, Аl - 11,9%), упорядоченная; в' - с элементарной гранецентрированной кубической кристаллической решеткой (Аl - 11,6%), очень деформированная; в₁' - с элементарной ромбической кристаллической решеткой (а = 3,67 Е, с = 7,53 Е, Al - 11,8%), упорядоченная; г₁-фаза с элементарной орто-ромбической ячейкой (а = 4,51 Е, в = 5,2 Е, с = 4,22 Е, Al - 13,6%), упорядоченная. Предполагается существование других фаз, которые являются разновидностью фазы в₁'.

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

Изучение взаимодействия германии и сурьмы показало, что сурьма осаждается посредством восстановления на подложке Sbl3 ( или Sbl) германием или его диодидом.

Получаются взаимодействием четыреххлористого германия с реактивом Гриньяра.

При взаимодействии германия с большинством металлов при высоких температурах образуются германиды металлических элементов разнообразного состава. Германиды могут быть получены также и другими способами, например электролизом расплавов, содержащих оксиды металла и германия, или восстановлением оксида германия ( IV) большим избытком соответствующего металла.

Диаграмма состояния Ge--Sb построена на основе обобщения литературных данных. В системе установлено эвтектическое равновесие между Ge и Sb, которое осуществляется при температуре 592 С и содержании -85,5 % (ат.)Sb. Максимальная растворимость Sb в Gc, зафиксированная при 800°С, составляет7*10^-2%(ат.);растворимость Ge в Sb незначительна.

Рисунок 2 - Диаграмма состояния системы германий-сурьма

Германий образует химические соединения с азотом (Ge₃N₂ и Ge₃N₄), фосфором (GeP) и мышьяком (GeAs₂ и GeAs). В последнем случае наблюдается значительная растворимость в твердом состоянии обоих элементов друг в друге. С сурьмой и висмутом германий образует эвтектические смеси.

Раствор мышьяка в германии ((3-фаза), повидимому, представляет фазу внедрения, так как здесь имеет место значительное увеличение удельного веса, несмотря на то, что атомные веса обоих элементов близки друг к другу, а период решетки при этом практически не меняется.

Перенос сурьмы. Механизм осаждения сурьмы и германия в иодидном процессе экспериментально исследовали Большаков и др. Изучение взаимодействия германия и сурьмы показало, что сурьма осаждается посредством восстановления на подложке Sbl₃ (или Sbl) германием или его дииодидом. Коэффициент переноса сурьмы в иодидном процессе уменьшается с ростом температуры от ??1 при t_n = 400°С до ??0,03 при t_n = 700° С. Экспериментальные данные по легированию германия сурьмой обобщены на рисунке 2. Здесь введены следующие обозначения: коэффициент переноса примеси ? _пр = , где и G_np -- относительное содержание примеси соответственно в пленке и в газовой фазе (%); С_пр -- абсолютная концентрация примеси в пленке. Величину G_np определяли как отношение потерь веса источников примеси и чистого германия, a S_nр -- путем расчета концентрации примеси С_пр в пленке. С_пр рассчитывали по электросопротивлению и коэффициенту Холла пленки.

3. Опишите виды несовершенств кристаллического строения металлов

Технические металлы состоят из большого количества кристаллов (зерен), т.е. являются поликристаллическими. Кристаллы в поликристал-лическом металле не имеют правильной формы и идеально правильного расположения атомов. В них встречаются различного рода несовершенства кристаллического строения, которые оказывают большое влияние на свой-ства. Увеличение количества дефектов кристаллического строения спо-собствует повышению прочности реальных кристаллов.

Различают следующие несовершенства кристаллического строения - точечные, линейные и поверхностные.

Точечные несовершенства малы во всех трех измерениях. К ним отно-сят вакансии, междоузельные (дислоцированные) атомы (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема точечных несовершенств кристалла: А - междоузельный (дислоцированный) атом, б - вакансия

Образование точечных несовершенств связано с диффузионным перемещением атомов под действием тепловых колебаний.

Процесс диффузии в кристаллическом теле возрастает с увеличением температуры. Под влиянием тепловых колебаний отдельные атомы с повы-шенной кинетической энергией покидают свои места в узлах решетки и выходят в междоузлия решетки или на поверхность металла. Атом, вы-шедший из равновесного положения в междоузлие, называют дислоцированным или междоузельным, а образовавшееся в узле решетки свободное место - «дыркой» или вакансией. С повышением температуры металла число вакансий растет. сурьма германий сплав металл

Точечные дефекты оказывают значительное влияние на некоторые физические свойства металлов (электропроводность, магнитные свойства и т.д.) и на фазовые превращения в металлах и сплавах.

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Различают краевые, винтовые и смешанные дислокации.

Рисунок 4 - Схема краевой дислокации в кристаллической решетке

На рисунке 4 показана краевая дислокация, представляющая собой местное искажение кристаллической решетки, причиной которой явилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость. Для краевой дислокации характерно, что направление движения перпендикулярно линии дислокации.

Дислокации образуются в процессе кристаллизации, но главным образом при деформации металла. Дислокации в металле распределены неравномерно. Плотность дислокаций на границах зерен выше, чем в самих зернах.

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 дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рисунок 5).

Рисунок 5 - Влияние плотности дислокаций на прочность

Поверхностные, или плоские, несовершенства малы только в одном измерении и велики в двух в двух других измерениях. К ним относятся границы зерен (кристаллитов) и блоков мозаики (субзерен).

Зерна металла разориентированы относительно друг от друга на величину от нескольких долей градуса (малоугловые границы) до нескольких градусов или нескольких десятков градусов (высокоугловые границы).

Граница между отдельными зернами представляет собой тонкую переходную зону (5-10 атомных диаметров) с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.

Рисунок 6 - Модель размещения атомов в объеме и на границе зерна

Это нарушение усугубляется концентрацией на этих участках различного рода посторонних примесей. Зерна металлов не являются однородными и состоят из мозаики однородных блоков (субзерен) размерами 10^-5-10^-3см. Блоки повернуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут. В пределах каждого блока решетка почти идеальна, если не принимать во внимание точечные дефекты. Атомы, расположенные на границах зерен, обладают повышенной энергией вследствие нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия. Это обстоятельство приводит к тому, что многие процессы развиваются или осуществляются на границах зерен и субзерен.

С увеличением угла разориентации субзерен и уменьшением их величины плотность дислокаций в металле повышается, соответствующим образом изменяются и свойства (рисунок 6).

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 правила фаз) для сплава, содержащего 2,3 % С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидуса и солидуса и определите состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз

1). Компоненты: Fe и C.

2). Фаза: Жидкий сплав

Аустенит называют твердый раствор внедрения углерода в Fe_Y. Аустенит имеет гранецентрированную кубическую решетку (К12). Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен с характерными двойными линиями (двойниками). Твердость аустенита равна НВ=220. Аустенит парамагнитен.

Феррит называют твердый раствор внедрения углерода в Fe_a. Так как растворимость углерода в Fe незначительна, то феррит можно считать практически чистым Fe_a. Феррит имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Кб). Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен различной величины. Свойства феррита одинаковы со свойствами железа: он мягок и пластичен, предел прочности 25кг/мм²,твердость НВ=80, относительное удлинение 50%. Пластичность феррита зависит от величины его зерна: чем мельче зерна, тем пластичность его выше. До 768°С (точка Кюри) он ферримагнитен, а выше -- пара-магнитен.

Цементит называют карбид железа Fe₃C. Цементит имеет сложную ромбическую решетку. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид пластинок или зерен различной величины. Цементит тверд(НВ> 800 ед.) и хрупок, а относительное удлинение его близко к нулю. Различают цементит, выделяющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава (первичный цементит или Ц₁), и цементит, выделяющийся из твердого раствора Y -аустенита (вторичный цементит или Ц₂). Кроме того, при распаде твердого раствора а (область GPQ на диаграмме состояния) выделяется цементит, называемый в отличие от предыдущих третичным цементитом или Ц₃. Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц -- пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими частицы первичного цементита. До 210°С (точка Кюри) цементит ферримагнитен, а выше ее -- парамагнитен.

3). Механические смеси:

Ледебурит- называют эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он образуется в процессе первичной кристаллизации при 1130°С. Это наиболее низкая температура кристаллизации в системе сплавов железа с углеродом. Аустенит, входящий в состав ледебурита, при 723°С превращается в перлит. Поэтому ниже 723°С и вплоть до комнатной температуры ледебурит состоит из смеси перлита и цементита. Он очень тверд(НВ 700) и хрупок. Наличие ледебурита является структурным признаком белых чугунов. Механические свойства железоуглеродистых сплавов изменяются в зависимости от количества структурных составляющих, их формы, величины и расположения.

Перлит - называют эвтектоидную смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при вторичной кристаллизации и содержит 0,8% С. Температура образования перлита 723°С. Эту критическую температуру, наблюдаемую только у стали, называют точкой А±. Перлит может иметь пластинчатое строение, если цементит имеет форму пластинок, или зернистое, когда цементит имеет форму зерен. Механические свойства пластинчатого и зернистого перлита несколько отличаются. Пластинчатый перлит имеет предел прочности 82кг/мм²,относительное удлинение 15%, твердостьНВ=190-^-230. Предел прочности зернистого перлита равен 63кг/мм²,относительное удлинение 20% и твердость Я = 1.60-г- 190.

4). Марка сплава

Сплав железа с углеродом, содержащий 2,3% С, называется доэвтектический чугун. Его структура при комнатной температуре - Перлит + Цементит + Ледебурит.

5. Изделия после правильно выполненной закалки и последующего отпуска имеют твердость более низкую, чем предусмотрено техническим условиями. Чем вызван этот дефект и как можно его исправить?

Закалка:

1. Закалка в одной среде

Такая закалка проще по выполнению, но не для любой стали и не для любых изделий ее можно применять.

Быстрое охлаждение в большом интервале температур изделий переменного сечения способствует возникновению температурной неравномерности и больших внутренних напряжений, называемых термическими.

Помимо термических напряжений, при превращении аустенита в мартенсит создаются дополнительно так называемые структурные напряжения, связанные с тем, что превращение аустенита в мартенсит происходит с увеличением объема.

Если деталь сложной формы или переменного сечения, то увеличение объема проходит неравномерно и вызывает возникновение внутренних напряжений.

Наличие больших напряжений может вызвать коробление изделия, поводку, а иногда и растрескивание, если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности.

Чем больше углерода, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

Сталь с содержанием углерода более 0,8% закаливают в одной среде, если изделия простой формы (шарики, ролики и т.д.). В противном случае предпочитают закалку либо в двух средах, либо по способу ступенчатой закалки.

2. Закалка в двух средах

Этот способ нашел широкое применение для закалки инструмента из высокоуглеродистой стали.

Состоит он в следующем:

а). деталь вначале замачивают в воде и охлаждают до температур 500--550°,

б). затем быстро переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

3. Ступенчатая закалка

При этом способе деталь быстро охлаждается погружением в соляную ванну с температурой 300--250°. Выдержка при этой температуре в течение 1,5--2 мин. должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению изделия, устраняя тем самым термические внутренние напряжения. Последующее охлаждение производят на воздухе.

В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли, селитры, легкоплавкие металлы.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, коробление и возможность растрескивания деталей.

Недостатки ступенчатой закалки

Недостаток этого вида закалки в том, что охлаждение в горячих средах не может обеспечить большую скорость охлаждения в интервале 400--600°.

В связи с этим ступенчатую закалку для углеродистой стали можно применять для изделий небольшого сечения (диаметр до 10 мм, например, сверла).

Для легированных сталей, имеющих небольшие значения критической скорости закалки, ступенчатая закалка применима к изделиям большего сечения.

4. Закалка с подстуживанием

При таком способе деталь вынимают из печи и перед погружением в охлаждающую жидкость некоторое время выдерживают на воздухе. Время выдержки на воздухе должно быть таким, чтобы не произошел распад на структуру перлита или сорбита. Это время определяется практикой закалки.

Подстуживание уменьшает внутренние напряжения и коробление и применяется для тонких и длинных деталей.

5. Поверхностная закалка стали

От некоторых деталей в эксплуатации требуется высокая поверхностная твердость при сохранении достаточно вязкой сердцевины, например зуб шестерни, шейка коленчатого вала и др.

Поверхностная закалка при нагреве ацетилено-кислородным пламенем

Нагрев изделия производится ацетилено-кислородным пламенем. Пламенная горелка, движущаяся вдоль изделия с определенной скоростью, нагревает его поверхность.

Вслед за горелкой с той же скоростью движется трубка, подающая воду, с помощью которой производится охлаждение изделия.

Глубина прогрева и температура нагрева регулируются скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия.

Поверхностная закалка токами высокой частоты

Нагрев изделий токами высокой частоты вызывает разогрев поверхностного слоя изделия.

Это объясняется тем, что токи высокой частоты распространяются с неравномерной плотностью по сечению. Чем больше частота тока, тем на меньшую глубину изделия токи проникают.

Благодаря этому возникает большая плотность тока у поверхности изделия, вызывающая весьма быстрый разогрев поверхностных слоев металла.

Этот метод имеет ряд преимуществ: высокую производительность, достаточную легкость регулирования глубины закаленного слоя, получение большей твердости, чем при обычных методах закалки, отсутствие окалины и коробления.

Применяемый для этой цели электрический ток получают от специальных генераторов, дающих переменный ток с частотой до 10 млн. гц (т.е. перемен направления тока в секунду). Ток городской сети имеет частоту 50 гц.

Нагрев изделия осуществляется индуктором, по которому проходят токи высокой частоты и большой силы.

Индуктор наводит (индуктирует) токи в изделии, помещенном внутри него.

Индуктор изготовляют из полых медных трубок, внутри которых циркулирует охлаждающая вода, поэтому он сам не разогревается за тот короткий промежуток времени, за который деталь успевает нагреться до необходимой температуры.

Форма индуктора должна точно повторить форму изделия, только тогда изделие закалится да одну и ту же глубину по всему сечению. Затруднения бывают при сложной форме детали, что ограничивает применение этого метода.

Охлаждение нагретой детали осуществляется чаще всего либо дополнительным дождевым устройством, либо водой, циркулирующей внутри индуктора.

В связи с тем что новый тип детали требует изготовления нового индуктора, этот метод целесообразно применять при наличии однотипных деталей в массовом или крупносерийном производстве.

На практике применяются три вида отпуска.

· Низкий отпуск производится при температурах 150 - 300°С. Цель его - уменьшить внутренние напряжения в закаленном изделии, не снижая или очень мало снижая при этом его твердость. В результате низкого отпуска получают структуру отпущенного мартенсита. Низкому отпуску обычно подвергают инструменты.

· Средний отпуск осуществляется при температурах 300 - 450°С. Применяется он для изделий, от которых требуются достаточно высокая твердость (Нr = 40 - 50) и высокий предел упругости при наличии определенной вязкости. Наиболее часто такому отпуску подвергаются пружины и рессоры. После среднего отпуска структура стали состоит из троостита.

· Высокий отпуск производится при температурах 500 - 680°С. После такого отпуска сталь имеет структуру сорбита. Сталь, подвергнутая закалке и последующему высокому отпуску, называется улучшенной. Такая сталь обладает высокой прочностью и вязкостью. Поэтому высокому отпуску подвергают почти все детали машин ответственного назначения.

Список литературы

1. http://www.materialscience.ru/

2. http://mash-xxl.info/info/461649/

3. http://chem21.info/info/1180954/

4. http://markmet.ru/diagrammy-splavov/diagramma-sostoyaniya-sistemy-germanii-surma-ge-sb

Размещено на Allbest.ru