Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Южно-Уральский государственный университет»
(Национальный исследовательский университет)
Институт открытого и дистанционного образования
Кафедра «Техника, технологии и строительство»
Контрольная работа по дисциплине: «Электротехническое и конструкционное материаловедение»
Проверил, преподаватель Константинов Ю.В.
Автор работы: студент группы 313 Лапаев Д.Ю.
Челябинск 2022
Задание 1
Вычертите диаграмму состояния системы (рис. 1) и ответьте на следующие вопросы:
1) к диаграмме какого типа относится данная диаграмма состояния системы;
2) опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях и укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния;
3) опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки указанного элемента - меди (тип кристаллической решетки, период, базис, коэффициент компактности, координационное число), указав конкретные числовые значения;
4) опишите характер изменения свойств заданного сплава с помощью правила Курнакова.
Рисунок 1 - Диаграмма состояния медь - бор (Сu - В)
Решение
1) Диаграмма двойных сплавов Сu - В характеризует сплавы, два компонента в твёрдом состоянии образуют химическое соединение по формуле. (IV рода).
2) Отличительным признаком таких диаграмм состояния является наличие максимума у линии ликвидус. Проекция точки максимума на концентрационную ось соответствует составу химического соединения AmBn (рис. 4.12). Так как химическое соединение имеет совершенно отличные свойства от свойств сплавляемых компонентов, то химическое соединение можно рассматривать как самостоятельный компонент. Это упрощает разбор диаграммы состояния, которую можно рассматривать состоящей из двух диаграмм состояния с компонентами А + AmBn и В + AmBn (рис. 2)
Что касается вида диаграммы состояния, то она может быть разной в зависимости от того, как взаимодействуют компоненты А и В между собой и с химическим соединением.
Рисунок 2
При температуре, соответствующей линии CED, происходит распад твердого раствора с одновременным выделением б'- и б»-твердых растворов:
в = б` + б».
Рисунок 3
Превращение протекает аналогично кристаллизации эвтектики, но исходным маточным раствором является не жидкость, а твердый раствор.
Диаграмма состояния сплавов эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (IV рода) представлена на рис.4.
Рис. 4 Диаграмма состояния 4 рода - эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
B-Cu (бор-медь) Равновесными фазами системы Cu-B являются (1) конечный твердый раствор fcc (Cu) с ограниченной максимальной растворимостью B ~ 0,29 ат.%; и (2) конечный твердый раствор, (B), имеющий несколько аллотропных модификаций, с доминирующей при повышенных температурах в-ромбоэдрической формой и стабильной при низких температурах в-тетрагональной и, возможно, а-ромбоэдрической и а-тетрагональной формами. Диапазоны стабильности для этих фаз четко не определены. Максимальная зарегистрированная растворимость Cu в (B) составляет от 3,65 до 4,17 ат.%, с ретроградные характеристики при повышенных температурах. Фазовая диаграмма Cu-B имеет простой эвтектический тип без промежуточных фаз. Высокая температура плавления B и его сильное сродство к кислороду в жидком состоянии создавали трудности при получении сплава и идентификации равновесных фаз в более ранних исследованиях [Hansen]. О возникновении эвтектической реакции между обогащенным Cu концевым твердым раствором и соединением CuB22 сообщалось в работе [54Lih]. Последующие исследования [65Smi], [65Wal] и [70Rex] подтвердили возникновение эвтектики реакция, но было показано, что составляющие фазы являются концевыми растворами Cu с раствором B, а не с CuB22. Был сделан вывод, что CuB22 не возникает как отдельная равновесная фаза.
3) Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кристаллические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядоченное пространственное размещение атомов называется кристаллической решеткой. Металлы имеют преимущественно три типа ячеек: объёмно-центрированная кубическая решётка (ОЦК), гранецентрированная кубическая решётка (ГЦК), гексагональная плотноупакованная кристаллическая решётка (ГПУ) [1, с. 24].
Медь (Cu) - этот элемент имеет кубическую гранецентрированную решетку (ГЦК), которая содержит 12 атомов: 8 располагаются по узлам ячейки и 6 атомов в центре каждой грани (рис. 3).
Кристаллическую решетку характеризуют следующие параметры:
а) Период решетки. Это расстояние между двумя соседними параллельными кристаллографическими плоскостями в элементарной ячейке решетки. Для большинства металлов лежит в пределах 0,1…0,7 нм.
б) Координационное число (КЧ) показывает количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке. Для ГЦК координационное число - 12.
в) Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Для ГЦК равно 4.
г) Коэффициент компактности (КК) или плотность упаковки решетки з находится как отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему элементарной ячейки решетки. Для ГЦК коэффициент компактности равен 0,74.
Рисунок 5 - Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК)
4) Наблюдая зависимость между твердостью, электропроводностью и типом диаграммы, Курнаков Н.С. установил зависимость между свойствами сплавов и диаграммами состояния (правило Курнакова) рис.4
На рис.4 приведены диаграммы состояния четырех основных типов и соответствующие им закономерности изменений свойств сплавов в зависимости от их состава (два нижних ряда).
Если образуется химическое соединение, то зависимость свойств от состава сплава резко изменяется при переходе через эту точку (рис. 4, г)
Рисунок 6.
Твердость HB, ударная вязкость , электросопротивление с, относительное удлинение д при образовании механической смеси изменяется прямолинейно, при образовании твердых растворов свойства изменяются по плавным кривым, при образовании химсоединения - меняются резко, скачком (рисунок. 7, 8).
Рисунок 7, 8 - Связь между родом диаграммы и свойствами сплавов
Задание 2
Вычертите диаграмму состояния железо-углерод и опишите структурные превращения с заданным содержанием углерода, согласно варианту, при охлаждении его от жидкого состояния до 20°С.
1. Полученный сплав является сталью или чугуном, ответ обоснуйте.
2. Опишите компоненты и фазы системы железо - углерод.
3. Приведите схему структуры полученного сплава при температуре 20°С, при заданном содержании углерода, и назовите его структурные составляющие.
4. Назовите легирующие элементы стали, их обозначения при маркировке и опишите, как они влияют на свойства стали.
5. Приведите классификацию и маркировку углеродистых сталей и чугунов.
Решение
Заданное содержание углерода - 0,8 %.
1) Сплавы железа с углеродом, содержащие 0…0,2% углерода, называются техническим железом, 0,02…2,14% - сталями, 2,14…6,67% углерода - чугунами. В нашем случае, заданное содержание углерода 0,8 %, следовательно, данный сплав является эвтектоидной сталью [3, c.56].
2) Элементы, из которых образован сплав, называют компонентами. В данной системе компоненты: углерод,железо (Fe) и цементит (карбид железа, Fe3C). Основные фазы приведены на рисунке 6: аустенит, цементит, феррит, перлит и ледебурит.
Превращения в системе железо - графит (рис. 9).
Рисунок 9 - Диаграмма состояния Железо-Углерод
Рисунок 10 - Основные фазы и структурные составляющие в сплавах на основе железа в равновесном состоянии
Рисунок 11.
Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
Аустенит (г-фаза) - высокотемпературная гранецентрированная модификация железа и его сплавов.
В углеродистых сталях аустенит - это твёрдый раствор внедрения, в котором атомы углерода входят внутрь элементарной ячейки г-железа во время конечной термообработки. В сталях, содержащих другие металлы (кроме железа, легированные стали), атомы металлов замещают атомы железа в кристаллической решётке и возникает твёрдый раствор замещения. В чистом железе существует в интервале температур 910-1401 °C; в углеродистых сталях аустенит существует при температурах не ниже 727 °C. В легированных сталях аустенит может существовать и при гораздо более низких температурах.
Цементит - карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C.
Концентрация углерода в цементите - 6,67% по массе - предельная для железоуглеродистых сплавов. Цементит - метастабильная фаза; образование стабильной фазы - графита во многих случаях затруднено. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, очень твёрд и хрупок, слабомагнитен до 210 °C.
В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму - равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.
Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита.
Феррит - фазовая составляющая сплавов железа, представляющая собой твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в б-железе (б-феррит). Имеет объёмноцентрированную кубическую кристаллическую решётку.
При температурах выше 1401 °С в железоуглеродистых сплавах образуется твёрдый раствор углерода в д-железе (д-феррит), который можно рассматривать как высокотемпературный феррит.
Перлимт (фр. perlite, от perle -- жемчуг) -- горная порода вулканического происхождения. На кромке потока лавы, в местах первичного соприкосновения магматических расплавов и земной поверхности, в результате быстрого охлаждения (закалки) лавы формируется вулканическое стекло -- обсидиан. В дальнейшем под воздействием подземных вод происходит его гидратация, и, как результат, образование перлита.
Аустенит-одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов,
твёрдый раствор углерода (до 2%)и легирующих элементов в железе. Аустенит немагнитен, плотность его больше, чем других структурных составляющих стали. В углеродистых сталях и чугунах , устойчив выше 723°C. В процессе охлаждения стали Аустенит превращается в другие структурные составляющие. В железоуглеродистых сплавах, содержащих никель, марганец, хром в значительных количествах, А. может полностью сохраниться после охлаждения до комнатной температуры.
Ледебурит-структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представляющая собой эвтектическую смесь аустенита и цементита в интервале температур 727-1147 °C, или феррита и цементита ниже 727 °C.
3) На рисунке 4 отметим на горизонтальной оси заданное процентное содержание углерода (0,8 %) и проведем вертикальную линию (штрихпунктирная). Сплав с содержанием 0,8 % относится к эвтектоидным сталям.
Твердость перлита HB 180ч220.Сталь, содержащая 0,80% C, имеет чистую перлитную структуру.
Перлит характеризуется небольшой концентрической оболочечной структурой (перлитная структура), в результате чего образуется круглое ядро (Жемчужина), напоминающее жемчужину с характерным блеском.
Структура эвтектоидной стали - перлит.
4) В ГОСТ приняты следующие буквенные обозначения легирующих элементов, входящих в марки стали: хром ( Cr ) -- Х, никель ( Ni ) -- Н, молибден ( Mo ) -- М, титан ( Ti ) -- Т, медь ( Cu ) -- Д, ванадий ( V ) -- Ф, вольфрам ( W ) -- В, азот ( N ) -- А, алюминий ( Аl ) -- Ю, бериллий ( Be ) -- Л, бор ( B ) -- Р, висмут ( Вi ) -- Ви, галлий ( Ga ) -- Гл,иридий ( Ir ) -- И, кадмий ( Cd ) -- Кд, кобальт ( Co ) -- К, кремний ( Si ) -- C, магний ( Mg ) -- Ш, марганец ( Mn ) -- Г, свинец ( Pb ) -- АС, ниобий ( Nb) -- Б, селен ( Se ) -- Е, углерод ( C ) -- У, фосфор ( P ) -- П, цирконий ( Zr ) -- Ц.
Влияние легирующих элементов:
- Молибден увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.
- Алюминий повышает жаростойкость и окалийность.
- Никель сообщает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость, повышает сопротивление удару.