Материаловедение. материаловедение. Контрольная работа дисциплина Материаловедение Направление подготовкиспециальность

• Название: Контрольная работа дисциплина Материаловедение Направление подготовкиспециальность
• Анкор: Материаловедение
• Дата: 17.01.2023
• Размер: 221 Kb.
• Имя файла: материаловедение.doc
• Тип: Контрольная работа; #891605

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)
Факультет «_______________________________________________________»

наименование факультета

Кафедра «_________________________________________________________»

наименование кафедры


КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА


Дисциплина «Материаловедение»

Направление подготовки/специальность __________________________________________

код наименование направления подготовки/специальности

_____________________________________________________________________________
Направленность (профиль) _____________________________________________________

Номер зачетной книжки ________ Номер варианта 81-50=31 Группа _______________
Обучающийся _______________________ _____________________________

подпись, дата И.О. Фамилия

Контрольную работу проверил _____________________ _________________

подпись, дата должность, И.О. Фамилия

Ростов-на-Дону

2022г
1. Для высокотемпературной модификации титана определите координационное число и рассчитайте коэффициент укладки. Напишите кристаллографические индексы всех плоскостей семейства {100} и покажите одну из плоскостей на схеме. Объясните природу высокой коррозионной стойкости титана.
 Титан - Ti существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 882 °C.

Высокотемпературная полиморфная модификации титана - Ti_β имеет объемноцентрированную кубическую решетку (ОЦК).


Рисунок 1. – Объемноцентрированная кубическая решетка.
Под координационным числом понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. В ОЦК решетке на этом расстоянии находятся 8 соседей (К8).

Коэффициентом укладки называют плотность упаковки атомов в объеме кристаллической решетки.

Коэффициент укладки η = _{ };

где: V_ат. – объем атома, V_ат.=4/3πR_ат.³ ;

V_яч. – объем ячейки, V_яч.=а³;

n – число атомов, принадлежащих одной ячейке, n =1/8∙8+1=2 атома.

; ;



Кристаллографические индексы всех плоскостей семейства {100}:

Плоскость (010) показана на рисунке 2.



Рисунок 2. – Плоскость (010).

При обычной температуре и вплоть до 500—550 °С Титан коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной окисной плёнки.
2. Определите - горячей или холодной является деформация меди и свинца при нормальной температуре. Назначьте и обоснуйте режим обработки для восстановления пластичности деформированных при нормальной температуре меди и свинца. Объясните физическую сущность происходящих процессов.
В зависимости от отношения температуры деформации к температуре рекристаллизации различают холодную и горячую деформацию.

Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.

Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения для получения полностью рекристаллизованной структуры.

При этих температурах деформация также вызывает упрочнение («горячий наклеп»), которое полностью или частично снимается рекристаллизацией, протекающей при температурах обработки и при последующем охлаждении.

При горячей обработке давлением (прокатке, прессовании, ковке, штамповке и т. д.) упрочнение в результате наклепа (повышение плотности дислокаций) непосредственно в процессе деформации непрерывно чередуется с процессом разупрочнения (уменьшением плотности дислокаций) при динамической полигонизации и рекристаллизации во время деформации и охлаждения. В этом основное отличие динамической полигонизации и рекристаллизации от статической.

А.А. Бочвар показал, что между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления металлов имеется простое соотношение: рекристаллизация начинается при температуре, составляющей одинаковую для всех металлов долю от температуры плавления по абсолютной шкале, а именно Тп.р. = (0,3¸0,4)Тпл.

Для меди температурный порог рекристаллизации равен:

Тп.р. = (1083+273)0,4–273 = 269 °С.

Температура начала рекристаллизации свинца:

Тп.р.=(327+273)0,4-273= – 33°С.

Следовательно для меди при нормальной температуре деформация является холодной, я для свинца – горячей.

В результате пластической деформации происходит искажение кристаллической решетки, зерна металла деформируются и приобретают определенную ориентировку.

В реальном металле сдвиг при пластической деформации происходит в результате перемещения дислокаций по кристаллу. Однако пластическая деформация вызывает появление и накопление в металле новых дислокаций. Плотность дислокаций в недеформированном металле составляет 10⁶-10⁸ на 1 см², после деформации в этом же металле она достигает 10¹⁰-10¹² на 1 см². Накопление дислокаций в деформированном металле затрудняет и тормозит передвижение их по кристаллу, что в свою очередь вызывает сопротивление деформации со стороны металла, т. е. упрочнение.

Нагрев деформированного металла ведет к повышению подвижности атомов, и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равновесных свободных от напряжений зерен. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкновения друг с другом и до полного исчезновения вытянутых зерен. при нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации предел прочности и особенно текучести резко снижаются, а пластичность увеличивается. Для устранения наклепа необходим отжиг.
3. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите процессы кристаллизации и превращений в твердом состоянии для сплава, содержащего 3,2 % С, напишите для этих процессов фазовые реакции с указанием составов реагирующих фаз и температурных интервалов превращений, изобразите схему кривой охлаждения заданного сплава и обоснуйте ее вид с применением правила фаз. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
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 α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате    которого    образуется    твердый раствор углерода в γ-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 ЖР4,3 Л[А2,14+Ц6,67]. 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 γ-железа в α-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   выдел пня   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 А0,8 П[Ф0,03+Ц6,67].

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 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (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 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС 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.



(а) (б)

Рисунок 3. – а – диаграмма железо-цементит,
б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,2% углерода

Сплав железа с углеродом, содержащий 3,2% С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре перлит + цементит (вторичный) + ледебурит (перлит + цементит).

На участке изменения температур от точки 0 до точки 1 происходит простое ньютоновское охлаждение жидкости. С=2+1-1=2 . Система бивариантна.

На участке изменения температур от точки 1 до точки 2 из жидкости кристаллизуется аустенит. С=2+1-2=1 . Система моновариантна.

На линии ECF (2-2') при температуре 1147^ОС происходит эвтектическое превращение, при котором жидкость кристаллизуется с образованием эвтектики и эвтектической смеси аустенита с цементитом. С=2+1-3=0. Система нонвариантна.

На участке изменения температур от точки 2 до точки 3 из аустенита выделяется цементит (вторичный). С=2+1-2=1 . Система моновариантна.

На линии PSK (3-3') при температуре 727^ОС происходит эвтектоидное превращение, при котором аустенит распадается на цементит и перлит. С=2+1-3=0. Система нонвариантна.

На участке изменения температур от точки 3 до точки 4 из феррита выделяется цементит (третичный). С=2+1-2=1 . Система моновариантна.

4. Используя диаграмму состояния железо-цементит, определите температуру полного, неполного отжига и нормализации для стали 10. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и опишите структуру и свойства стали.
Полный отжиг. При полном отжиге доэвтектоидная сталь нагревается выше АС3 на 30-50°С, выдерживается при этой температуре до полного прогрева и медленно охлаждается. В этом случае ферритно-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную, а затем при медленном охлаждении превращается обратно в феррит и перлит. Происходит полная перекристаллизация.
Основные цели полного отжига: устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке металла (литье, горячей деформации, сварке и термообработке), смягчение стали перед обработкой резанием и снятие внутренних напряжений. Для стали 10 отжиг проводится при температуре 900-920°С.

Неполный отжиг. Заключается в нагреве выше Аc1 и медленном охлаждении. При этом происходит частичная перекристаллизация перлитной составляющей.

Неполному отжигу подвергаются доэвтектоидные стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием в том случае, если предварительная горячая обработка не привела к образованию крупного зерна. Для стали 10 неполный отжиг проводится при температуре 760-790°С.

Нормализация. Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку АС3 на 40-50°С, заэвтектоидной стали до температуры выше точки Асm также на 40-50°С, в непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, сорбита или троостита. Это повышает прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.

Нормализация горячекатаной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности.

Для стали 10 нормализация проводится при температуре 900-920 °С.
5. В чем заключается обработка стали холодом и в каких случаях она применяется? (Объясните с применением мартенситных кривых.)
В закаленной стали, особенно содержащей более 0,4-0,5%С, у которой точка Мк лежит ниже нуля (рисунок 3), всегда присутствует остаточный аустенит. Аустенит понижает твердость, износостойкость и нередко приводит к изменению размеров деталей, работающих при низких температурах, в результате самопроизвольного превращения его в мартенсит.



Рисунок 3 – Температура мартенситных точек Мн и Мк
Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали применяют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до отрицательных температур, до температуры ниже т. Мк (–80^oС). Обычно для этого используют сухой лед.

Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1…4 HRC.

После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.

Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.
Список используемой литературы:
Гуляев А.П. «Металловедение». М., 1986 г.

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. «Материаловедение». М., 1993 г.