Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Уфимский  государственный авиационный технический  университет 

Кафедра материаловедения и физики металлов 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчетно-графическая  работа

по дисциплине «Материаловедение»

Вариант №3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Подготовил: студент группы ЭУП-211

Алимов  Д.М.

Принял: Маркелов А.А. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Уфа 2010г. 
 
 

Содержание 

Вопрос  №1

      Как и почему скорость охлаждения при  кристаллизации влияет на строение слитка? 

Ответ: 

      Переход металла из жидкого состояния  в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры  Тп (температура плавления). Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения: 
ΔТ=Тп-Тк. Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью v, показаны на рисунке 1.1.

       
  

 
Рисунок 1.1 - Кривые охлаждения металла при кристаллизации 

      При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре близкой к равновесной Тп. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.

      С увеличением скорости охлаждения степень  переохлаждения возрастает (кривые v2, v3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации. 
Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла. При небольшой скорости переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается. Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. 
 
 

Вопрос  №2

 

      Вычертите диаграмму состояния железо –  карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется? 

Ответ: 

     Среди диаграмм состояния металлических  сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы Fe - С. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы.

     Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе Fe - Fе_зС (цементит), и стабильная, характеризующая превращение в системе Fe – С (графит).

     На  то, что система Fe - С является более стабильной, чем система Fe - Fе_зС, указывает тот факт, что при нагреве до высоких температур цементит распадается на железо и графит, т.е. переходит в более стабильное состояние. 

     Компоненты  и фазы в сплавах  железа с углеродом 

     Железо  и углерод — элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539°С имеет две модификации — α и γ. Модификация Fe_α существует при температурах до 911°С и от 1392 до 1539°С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286нм (при 20-25°С). Важной особенностью Fe_α является его ферромагнетизм ниже температуры 768 °С, называемой точкой Кюри.

     Модификация Fe_γ существует в интервале температур от 911 до 1392°С, и имеет ГЦК решетку, период которой при 911 °С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК. В связи с этим при Fe_α → Fe_γ объем железа уменьшается приблизительно на 1%. Fe_γ парамагнитно.

     Углерод существует в двух модификациях: графита  и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз. (Это используют при получении синтетических алмазов).

     Фазы  в сплавах железа с углеродом  представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита (см. рисунок 2.1).

     Феррит  (обозначают Ф или α) — твердый раствор внедрения углерода в Fe_α. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,02 %, в высокотемпературном — 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в Fe_α обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит — мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σ_в = 300 МПа; δ = 40 %; ψ = 70 %; KCU = 2,5МДж/м²; твердость — 80 - 100 НВ.

     Аустенит (обозначают А или γ) — твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ. Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Fe_γ значительно больше и достигает 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160 - 200 НВ) при 20 - 25 °С.

     Цементит  (обозначают Ц) — карбид железа (почти постоянного состава) Fe_зС, содержит 6,69% С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 НВ) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210 °С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260 °С.

     Графит  — углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.  

     Переход фаз в сплавах железа с углеродом 

      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 выделения  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. 
 

Рисунок 2.1 – Фазовая диаграмма сплава железо – карбид железа 

 

 
 
 
 
 
 

 

Рисунок 2.2 – Диаграмма охлаждения сплава содержащего 2,5% С 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

      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.

      Сплав железа с углеродом, содержащий 2,5% С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре – перлит + цементит + ледебурит (см. рисунок 2.2). 
 
 

Вопрос  №3

 

      Для изготовления деталей в авиастроении применяется сплав МА2. Расшифровать состав, привести характеристики механических свойств и указать способ изготовления деталей из этого сплава. 

      Ответ: 

      В связи с недостаточной механической прочностью и очень низкой коррозионной стойкостью чистый магний в качестве конструкционного материала не применяется и используется для приготовления сплавов.

      Основными добавками, вводимыми в магниевые  сплавы, служат алюминий, цинк и марганец.  

      

      Рисунок 3.1а - Диаграмма сплава Mg-Al 

      

      Рисунок 3.1б - Диаграмма сплава Mg-Zn

      

      Рисунок 3.2 – Диаграмма механических свойств Mg-Al 

      Алюминий  и цинк, добавляемые в магниевые  сплавы в количестве не более 10—11 и 4—5% соответственно, образуют с магнием  твердые растворы, а также интерметаллические соединения Mg₄Al₃, MgZn₂. Часть диаграммы состояния сплавов магний— алюминий дана на рисунке 3.1а, диаграммы магний – цинк на рисунке 3.1б . В системе магний — алюминий — цинк образуется тройное интерметаллическое соединение Т (Mg₄Zn₃Al₃).