Материалы

Курсовая работа по предмету
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Содержание

1. Введение ………………………………………………………………...2

2. Основные характеристики кристаллической решетки ………………….2

3. Скорость охлаждения при закалке и факторы влияющие на выбор скорости охлаждения при закалке ……………………………………………..4

4. Диаграмма состояния системы медь-серебро. Свойства сплавов в данной системе- ………………………………………………………………….6

5. Диаграмма состояния железо-углерод. Описание данной диаграммы. 7

6.Углеродистые стали У8 и 35 ……………………………………………11

7.Расшифровки марок данных сталей и их свойства ……………………….11

Введение

Материаловедение - это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Материаловедение относится к числу основополагающих дисциплин для машиностроительных специальностей. Это связано с тем, что получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства. Материаловедение является основой для изучения многих специальных дисциплин.

Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материала в тесной связи с их свойствами. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, механические, технологические и эксплуатационные.

От физических и механических свойств зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов.

Среди механических свойств прочность занимает особое место, так как прежде всего от нее зависит неразрушаемость изделий под воздействием эксплуатационных нагрузок. Учение о прочности и разрушении является одной из важнейших составных частей материаловедения. Оно является теоретической основой для выбора подходящих конструкционных материалов для деталей различного целевого назначения и поиска рациональных способов формирования в них требуемых прочностных свойств для обеспечения надежности и долговечности изделий.

1. Основные характеристики кристаллической решетки.

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств:

«металлический блеск» (хорошая отражательная способность);

пластичность;

высокая теплопроводность;

высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются: размеры рёбер элементарной ячейки- a, b, c , периоды решётки-расстояния между центрами ближайших атомов в одном направлении выдерживаются строго определённые углы между осями ().

Координационное число (К)- указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

Базис- решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

Плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;

Кубическая (рис. а)– узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

Объемно-центрированная кубическая ОЦК (рис а) – атомы занимают вершины ячеек и ее центр (V, W, Ti, )

Гранецентрированная кубическая ГЦК (рис. б)– атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней (Ag, Au,Fe)

Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

Кристаллическая решетка платины ГЦК (рис.б) основные характеристики координатное число 12, базис 4, плотность упаковки атомов в кристаллической решетке -0,74

Расчет базиса: Рассмотрим рисунок б. 8 граней куба элементарной ячейки, каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно 8-ми сопряженным элементарным ячейкам и на данную ячейку приходится только 1/8 массы атома, а на всю ячейку 1/8Ч8=1 атом. В плоскостях тоже есть атомы 6 плоскостей каждый атом принадлежит двум элементарым ячейкам. Отсюда базис равен 1+3=4.

2. Скорость охлаждения при закалке и факторы влияющие на выбор скорости охлаждения при закалке.

Закалка стали - термическая обработка, включающая нагрев до температур выше верхних критических точек на 30...50°С, выдержку при этих температурах до полного прогрева металла и последующее очень быстрое его охлаждение. В результате закалки, в стали из аустенита образуется мартенсит.

Мартенсит - пересышенный твёрдый раствор углерода в αFe. Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью и прокаливаемостью.

Цель - повысить твердость, износостойкость и прочность.

Скорость охлаждения – критический параметр. В зависимости от скорости охлаждения процессы в структуре могут быть 1) диффузионными (малая скорость) 2) без диффузионными (большая скорость). Результат в зависимости от скорости охлаждения качественно различный. Выбор скорости охлаждения должен удовлетворять таким параметрам как: получение структуры мартенсита, отсутствие трещин, минимальные деформации.

Факторы, влияющие на выбор скорости при охлаждении, при закалке: Для получения требуемой структуры изделия охлаждают с различной скоростью, которая в большой степени определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали. Также существенное влияние на выбор скорости охлаждения осуществляют легирующие элементы, которые «отодвигают» область распада аустенита, следствие-снижение критической скорости охлаждения.

Режим охлаждения должен исключить возникновение больших закалочных напряжений. При высоких скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению и растрескиванию.

Критическая скорость охлаждения минимальная скорость охлаждения стали, при которой не происходит распада аустенита с образованием перлита, а весь аустенит переохлаждается и превращается в мартенсит.

3. Диаграмма состояния системы медь-серебро. Свойства сплавов в данной системе.

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (переменная растворимость)

По внешнему виду диаграмма похожа на диаграмму состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Отличие в том, что линии предельной

растворимости компонентов не перпендикулярны оси концентрации. Появляются области, в которых из однородных твердых растворов при понижении температуры выделяются вторичные фазы.

abc - линия ликвидус: Хь - химический состав эвтектики.

adec - линия солидус.

df, eg – линии переменной предельной растворимости в твердом состоянии.

α- ограниченный твердый раствор компонента Сu в компоненте Ag.

β - ограниченный твердый раствор компонента Ag в компоненте Cu.

В заэвтектических сплавах. Максимальное содержание компонента Cu в фазе α определяется точкой Е и при охлаждении снижается до точки G . Поэтому при охлаждении от точки E до G точки, происходит выделение компонента Cu виде вторичных кристаллов β-фазы, богатой компонентом В. Конечная структура сплава будет α+βII. В эвтектическом сплаве в точке Ж превратится в эвтектику Жα+β.

При охлаждении в интервале температур ниже точки состав α-фазы меняется по линии EG , в результате чего выделяются вторичные кристаллы β, а состав β-фазы меняется по линии DF , выделяются вторичные кристаллы α. При комнатной температуре состав эвтектики будет иметь четыре слагаемых Жэвтектика(α+βII+β+αII)

Сплав (1): Сплав заевтектический. Выше температуры t=870є- охлаждение сплава - превращений нет. В интервале температур 870-779єС -первичная кристаллизация α-кристаллов, при этом содержание Ag в жидкости уменьшается по линии CF и состав жидкости постепенно приближается к эвтектическому ЖЖ+α. При температуре 779є-состав жидкости соответствует эвтектическому, идет образование эвтектики (температура постоянна)Ж+αЭ+α. Температура ниже 779єС - охлаждение сплава, вторичная кристаллизация с образованием βII -вторичных кристаллов Э+ αЭ+ α+ βII .

Термическая обработка данного сплава заключается в применении одного из способов термообработки для сплавов не имеющих превращений в твёрдом состоянии.

Закалка+один из видов отжига

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг. Применяется для устранения ликвации, выравнивания химического состава сплава.

В его основе – диффузия. В результате нагрева выравнивается состав, растворяются избыточные карбиды.

Температура нагрева зависит от температуры плавления, ТН = 0,8 Тпл.

Продолжительность выдержки: 8-20 часов.

Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.

Температура нагрева связана с температурой плавления: ТН = 0,4 Тпл.

Продолжительность зависит от габаритов изделия.

Отжиг для снятия напряжений после горячей обработки (литья, сварки, обработки резанием, когда требуется высокая точность размеров).

Температура нагрева выбирается в зависимости от назначения, находится в широком диапазоне: ТН = 160…700°С.

Продолжительность зависит от габаритов изделия.

После такого отжига изделие очень медленно охлаждают 20-200°С/ч

Правило Н.С.Курнакова устанавливает связь между типом диаграммы состояния и характером изменения физико-механических свойств. Свойства сплава будут меняться по прямолинейной зависимости.

4. Диаграмма состояния железо-углерод. Описание данной диа­граммы.

Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов, на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором образуется цементит Fе3С. По диаграмме состояния системы железо - углерод судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. На диаграмме состояния Fe - С приняты международные обозначения. Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо - цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита). Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой (Fe - С), а железоцементитной (Fe - Fе3С), так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию це­ментита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Компоненты системы железо и углерод - элементы полиморфные. Основной компонент системы - железо.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может образовать химическое соединение - цементит Fе3С или присутствовать в сплавах в виде графита.

В системе железо-цементит (Fe - Fе3С) имеются следующие фазы: жидкий раствор. твердые растворы - феррит и аустенит, а также химическое соединение - цементит.

Феррит (Ф) твёрдый раствор внедрения углерода в αFe кристаллическая решётка ОЦК, может иметь две модификации - высоко- и низкотемпературную. Высокотемпературная модификация β-Fe и низкотемпературная - αFe представляют собой твердые растворы углерода, соответственно, в β- и α-железе.

Предельное содержание углерода в αFe при 723°С -0,02%, а при 20°С - 0,008%. Низкотемператур­ный феррит αFe по свойствам близок к чистому железу и имеет довольно низкие механические свойства, например, при 0,06% С:

s = 250 МПа;

d =50%;

y= 80%;

твердость - 80...90 НВ.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода в γ-железе. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14%. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Мn, Сг и др.) при обычных (даже низких) температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Твердость аустенита 160...200 НВ.

Цементит Fе3С - химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,67% vглерода. Между атомами железа и углерода в цементите действуют металлическая и ковалентная связи. Температура плавления ~1250°С. Цементит является метастабильной фазой; область его гомогенности очень узкая и на диаграмме состояния он изображается вертикалью. Время его устойчивости уменьшается с повышением температуры: при низких температурах он существует бесконечно долго, а при температурах, превышающих 950°С, за несколько часов распадается на железо и графит. Цементит имеет точку Кюри (210°С) и обладает сравнительно высокими твердостью (800 НВ и выше) и хрупкостью. Прочность его i растяжение очень мала (s =40 МПа).

В системе железо - цементит имеются две тонкие механические смеси фаз - эвтектическая (ледебурит) и эвтектоидная (перлит).

Ледебурит является механической смесью аустенита и цементита, образующихся при 1147°С в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом, чугунов. Ледебурит обладает достаточно высо­кими прочностью (НВ>600) и хрупкостью.

Перлит (до 2,0%С) представляет собой смесь a-Fe + Fе3С (в легированных сталях -карбидов), образующуюся при 723°С и содержании углерода 0,83% в процессе распада аустенита, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита (прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого):

s=800...900 МПа;

d< 16%; НВ 180..,220.

Диаграмма состояния Fe - Fе3С является комбинацией диаграмм простых типов. На ней имеются три горизонтали трехфазных равновесий: перитектического (1496°С), эвтектического (1147°С) и эвтектоидного (727°С).

Все линии на диаграмме состояния соответствуют критическим точкам, то есть температурам, при которых происходят фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линия ABCD - линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF - линия конца кристаллизации сплава (солидус).

В области диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD - жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3%С и температуре 1147°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь ледебурит ЖС(4.47%C) AE(2.14%C)+ЦF(6.67%C), Ж4.3 Л4.3(ледобурит)

Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С (чутуны).

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%С).

В области диаграммы AGSF находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита AGSФGP , а по линии SE АESЦII.вторичного цементита. Линии GS и PS имеют большое практическое значение для установления режимов термической обработки сталей. Линию GS называют линией верхних критических точек, а линию PS -нижних критических точек.

Линия PQ при охлаждении отвечает температурам начала выделения из феррита цементита третичного в результате уменьшения растворимости С в феррите с понижением температуры при нагреве обратный процесс ФPQ ЦIII.

В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз - феррита и распадющегося аустенита, а в области диаграммы SEE' - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.

В точке S при содержании 0,8%С и при температуре 727°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита - перлит.

Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и образованию перлита

AS(0.8%C) ФP(0.02%C)+ЦК(6Ю67%С)

А(0.8) П(0.8)перлит

В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

Структурные превращения в сплавах, находящихся в твердом состоянии, вызваны следующими причинами: изменением растворимости углерода в железе в зависимости от температуры сплава (QP и SE), полиморфизмом железа (PSK) и влиянием содержания растворенного углерода на температуру полиморфных превращений (растворение углерода в железе способствует расширению температурной области существования аустенита и сужению области феррита).

Диаграмма стабильного равновесия Fe - Fе3С, обозначенная на графике пунктиром, отображает возможность образования высокоуглеродистой фазы - графита - на всех этапах структурообразования в сплавах с повышенным содержанием углерода. Диаграмма состояния стабильной системы железо - графит отличается от метастабильной системы железо-цементит только в той части, где в фазовых равновесиях участвует высокоуглеродистая фаза (графит или цементит).

На диаграмме состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого разграничения - возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените):

стали - до 2,14% С, не содержат ледебурита;

чугуны - более 2,14% С, содержат ледебурит.

В зависимости от содержания углерода (%) железоуглеродистые сплавы получили следующие на­звания:

менее 0,83 - доэвтектоидные стали;

0,83 - эвтектоидные стали;

0,83...2 - заэвтектоидные стали;