Курсовая работа по дисциплине Материаловедение

• Название: Курсовая работа по дисциплине Материаловедение
• Дата: 26.05.2022
• Размер: 371.99 Kb.
• Имя файла: Materialovedenie_variant_49.docx
• Тип: Курсовая; #550619
• страница: 1 из 3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

Пензенский государственный технологический университет

Кафедра «Биотехнологии и техносферная безопасность»

Курсовая работа

по дисциплине: «Материаловедение»

Вариант 49

Выполнил студент: Гр. 18ХБ1бп

Кадиров Х.

Проверил преподаватель: д.т.н., профессор

Таранцева К.Р,

Пенза 2022

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Причины возникновение пластической деформации. Изменение структуры, свойства металлов и сплавов вследствии их возникновения 4

2. Диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, описание превращения и построение кривой охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,9 % С. 8

3. Причины возникновения внутренних напряжений при закалке. Способы предохранение изделие от образования закалочных трещин 14

4. Назначение режима термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) резьбовых калибров из стали У10А. Описание сущности происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термической обработки. 16

5. Описание механизма и характер деформации полимеров в стеклообразном и вязкотекучем состоянии. 18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 35

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 36

ВВЕДЕНИЕ

Пластическая деформация — необратимая деформация при которой после окончания воздействия приложенных сил происходит необратимое смещение межатомных связей.

При пластической деформации металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств — в частности, при холодном деформировании повышается прочность.

Диаграмма состояния - графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры.

Диаграмма состояния показывает равновесные, устойчивые состояния, т.е. такие, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией.

Напряжение внутреннее - это свойтсво готового изделия, на которое влияет процесс остывания в форме. Внутренние напряжения в изделии, не подвергающемуся внешней нагрузке, возникают в процессе охлаждения за счет различных изменений объема внутри него.

Деформация полимеров сопровождается деформацией и перемещением молекул полимера или их агрегатов. Современная теория деформирования полимеров рассматривает четыре вида деформации - упругую, высокоэластическую, вынужденную высокоэластическую и пластическую, - которые по мере нагружения деформируемого тела возникают и в разной степени изменяют его размеры и определяют конечный результат силового воздействия.

1. Причины возникновение пластической деформации. Изменение структуры, свойства металлов и сплавов вследствии их возникновения

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.

Напряжение - сила, действующая на единицу площади сечения детали.

Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других физико-химических процессов, протекающих в металлах, и связанных с изменением объема. Металл, находящийся в напряженном состоянии, при любом виде нагружения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные.



Рисунок 1 - Схема возникновения нормальных и касательных напряжений в металле при его нагружении
Рост нормальных и касательных напряжений приводит к разным последствиям. Рост нормальных напряжений приводит к хрупкому разрушению. Пластическую деформацию вызывают касательные напряжения.

Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация (рис. 2).

В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.



Рисунок 2 - Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием касательных напряжений

а - ненапряженная решетка; б - упругая деформация; в - упругая и пластическая деформация; г - пластическая деформация; д, е - пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

Пластическая деформация происходит в результате скольжения или двойникования. Ранее предполагали, что при скольжении одна часть кристалла сдвигается относительно другой части на целое число периодов как единое целое. Необходимое для этого напряжение получается на несколько порядков выше действительного сдвигового напряжения.

В основу современной теории пластической деформации взяты следующие положения:

• 
  скольжение распространяется по плоскости сдвига последовательно, а не одновременно;
  
• 
  скольжение начинается от мест нарушений кристаллической решетки, которые возникают в кристалле при его нагружении.
  

Схема механизма деформации представлена на рисунке 3 а.

В равновесном состоянии дислокация неподвижна. Под действием напряжения экстраплоскость смещается справа налево при незначительном перемещении атомов. Нижняя часть плоскости Р/S (SR) сместится вправо и совместится с нижним краем экстра- плоскости РQ.

QR- остаточная деформация.

При дальнейшем движении дислокация пройдет всю плоскость скольжения и выйдет на поверхность зерна. При этом верхняя часть зерна сдвинута относительно нижней на один межатомный период решетки (рис. 3 б).

При каждом перемещении дислокации на один шаг необходимо разорвать связь только между двумя рядами атомов в плоскости Р/S, а не между всеми атомами, расположенными выше и ниже плоскости скольжения. Необходимое сдвиговое напряжение при этом мало, равно практически действительному.



Рисунок 3б - Схема дислокационного механизма пластической деформации

а - перемещение атомов при двихении краевой дислокации на одно межатомное расстояние; б - перемещение дислокации через весь кристалл
Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла и сплавов

Текстура деформации создает кристаллическую анизотропию, при которой наибольшая разница свойств проявляется для направлений, расположенных под углом 45o друг к другу. С увеличением степени деформации характеристики пластичности (относительное удлинение, относительное сужение) и вязкости (ударная вязкость) уменьшаются, а прочностные характеристики (предел упругости, предел текучести, предел прочности) и твердость увеличиваются. Также повышается электросопротивление, снижаются сопротивление коррозии, теплопроводность, магнитная проницаемость.

Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и других свойств металлов и сплавов в процессе пластической деформации называют деформационным упрочнением или наклепом.

Упрочнение при наклепе объясняется возрастанием на несколько порядков плотности дислокаций:

Их свободное перемещение затрудняется взаимным влиянием, также торможением дислокаций в связи с измельчением блоков и зерен, искажениями решетки металлов, возникновением напряжений.
2. Диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, описание превращения и построение кривой охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,9 % С.
Диаграмма железо - углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит (карбид железа). Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму - по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерода.

Диаграмма состояния железо - цементит представлена на рисунке 4.



Рисунок 4 - Диаграмма состояния железо - цементит

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо - переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления - 1539o С 5o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С. При температуре ниже 911^o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911^o С превращения обозначают точкой , а температуру 1392^o С превращения - точкой А₄.

При температуре ниже 768^o С железо ферромагнитно, а выше - парамагнитно. Точка Кюри железа 768^o С обозначается А₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности - , предел текучести - ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение - , а относительное сужение - ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами - растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления - 3500 °С, плотность - 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления - 5000 °С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения - цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe3C) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550^o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа - металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит - соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо - углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф) (C) - твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную - 0,02 % при температуре 727^o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392^o С существует высокотемпературный феррит () ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость - 130 НВ, предел прочности - ) и пластичен (относительное удлинение - ), магнитен до 768^o С.

3. Аустенит (А) (С) - твердый раствор внедрения углерода в железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,8 % при температуре 727^o С (точка S), максимальную - 2,14 % при температуре 1147^o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит - характеристика дана выше.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении - вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен. кристаллизация напряжение металл сплав

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

Линия АВСD - ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD - кристаллизация цементита первичного.

Линия AHJECF - линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (). На линии HJB при постоянной температуре 1499°С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (), в результате чего образуется аустенит:

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147^o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

Эвтектика системы железо - цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

При температуре ниже 727^o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

По линии HN начинается превращение феррита () в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита () в аустенит заканчивается.

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии МО при постоянной температуре 768^o С имеют место магнитные превращения.

По линии PSK при постоянной температуре 727^o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо - цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.

Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret - остановка):

А₁ - линия PSK (727°С) - превращение П А;

A₂ - линия MO (768°С, т. Кюри) - магнитные превращения;

A₃ - линия GOS ( переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение Ф А;

A₄ - линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение ;

Acm - линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A₃).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е. , при охлаждении - букву r, т.е. .

При температуре 1300^оС для сплава, содержаещего 1,8% С количественное соотношение фаз - жидкая фаза+аустенит.