Основы материаловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Опишите физическую сущность и механизм процесса кристаллизации

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой выше температуры ТS вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS - в твердом.

При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS - равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (ДТ):

ДТ = Ттеор-Ткр.

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация - это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время - температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Кривая охлаждения чистого металла

Ттеор - теоретическая температура кристаллизации;

Ткр - фактическая температура кристаллизации.

Процесс кристаллизации чистого металла:

До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 - 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Механизм кристаллизации металлов.

При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики - центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.

При равновесной температуре кристаллизации ТS число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т. а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста - большая).

При переохлаждении до температуры соответствующей т. в-мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).

Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.

2. Как изменяются свойства деформированного металла при нагреве, какие процессы происходят при этом?

Деформированный металл по сравнению с недеформированным имеет повышенный запас энергии и находится в неравновесном, термодинамически неустойчивом состоянии. В таком металле даже при комнатной температуре могут самопроизвольно протекать процессы, приводящие его в более устойчивое состояние. Однако, если деформированный металл нагреть, то скорость этих процессов возрастает. Небольшой нагрев (для железа 300-400 °С) ведет к снятию искажений кристаллической ре­шетки, но микроструктура остается без изменений, зерна по-прежнему вытянуты. Прочность при этом несколько; снижается, а пластичность повышается. Такая обработка называется возвратом или отдыхом. При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равноосных свободных от напряжений зерен. Зародыши новых зерен возникают в участках с наиболее искаженной кристаллической решеткой, с повышенным уровнем свободной энергии, термодинамически наименее устойчивых. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкновения друг с другом и до полного исчезновения вытянутых зерен. Это явление называется рекристаллизацией (первичной).

Рекристаллизация является диффузионным процессом и протекает неравномерно, одни зерна зарождаются и растут раньше, другие позднее. После рекристаллизации металл состоит из новых равноосных зерен. Более высокий нагрев приводит к развитию собирательной рекристаллизации, т.е. к росту одних рекристаллизованных зерен за счет других, более мелких. Чем выше температура нагрева, тем интенсивнее идет собирательная рекристаллизация, так Как с повышением температуры диффузионные процессы протекают быстрее и создают условия для образования крупнозернистого металла.

3. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, постройте кривую охлаждения для сплава, содержащего 1,0% углерода, описать превращения, происходящие при охлаждении. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Рисунок 3

Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т.е. в сталях, образуется однофазная структура - аустенит. Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и GPQ. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую (г в б) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линий GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих линии SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкого расплава. Его структура при комнатной температуре - Цементит (вторичный) + Перлит.

4. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали, нанесите на неё кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твёрдости 450…500 НВ. Как называется режим, описать сущность превращения и получаемую структуру

С целью уяснения процессов происходящих в сталях, и влияние различных температур на аустенит и на строение и свойства получающихся при его распаде продуктов рассмотрим диаграмму его изотермических превращений, т.е. таких превращений, которые происходят при постоянных температурах, лежащих ниже точки A1.

Диаграмма изотермических превращений аустенита эвтектоидной стали (0,8% С) имеет простой вид (рис. 4). Диаграмма представлена двумя кривыми (их принято называть С-кривыми). Она составлена в координатах время - температура изотермической выдержки. Время откладывается в логарифмической шкале (для укорочения последней, так как отсчет ведется в секундах).

Рис. 4

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает в температурной области между перлитным и мартенситным превращениями. Кинетика этого превращения и получающиеся структуры имеют черты кинетики и структур, получаемых при диффузионном перлитном и бездиффузионном мартенситном превращениях: диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и мартенситное бездиффузионное превращение g ® a.

В результате бейнитного превращения образуется смесь a - фазы (феррита) и карбида, которая называется бейнитом.

Карбид в бейните не имеет пластинчатого строения, свойственного перлиту. Карбидные частицы в бейните очень дисперсны, их можно видеть только под электронным микроскопом.

Различают верхний и нижний бейниты, образующиеся соответственно в верхней и нижней частях промежуточного интервала температур (условная граница между ними 350 °С). Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний - игольчатое, мартенситоподобное строение.

Пластичность при переходе из перлитной области в бейнитную (верхний бейнит) падает, а затем с понижением температуры вновь возрастает (нижний бейнит). Снижение пластичности в области верхнего бейнита связано с выделением сравнительно грубых карбидов преимущественно по границам ферритных кристаллов. В нижнем же бейните частицы карбидов расположены внутри кристаллов a - фазы, и поэтому при высокой прочности в стали с верхним бейнитом с Верхний бейнит образуется при температурах чуть ниже перегиба кривых и имеет твердость около 450НВ, нижний образуется чуть выше начала образования мартенсита (Мн) и имеет твердость около 550НВ. Если скорость охлаждения достаточно велика и проходит левее максимума, то образуется структура закалки (М+Аост.).сохраняется высокая вязкость.

5. Расшифровать

Сталь 45: Сталь конструкционная углеродистая качественная, содержание углерода 0,40-0,45%

ХВГ расшифровка этой марки показывает наличие в ней основных легирующих элементов: Хрома, Вольфрама, Марганца. Эта сталь отличается повышенным содержанием в ней углерода, примерно 1%, поэтому цифра в начале марки не ставится. Сталь инструментальная легированная

У10 Сталь инструментальная углеродистая, буква У говорит о том, что перед нами инструментальная нелегированная сталь, в которой присутствует углерод в количестве 1%.

50ХФА Сталь легирование хромистых сталей ванадием, что способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

6. Опишите сущность процесса диффузионной металлизации

Диффузионная металлизация - процесс диффузионного насыщения поверхности стальных деталей металлами с целью придания их поверхности жаростойкости, коррозионной стойкости, твёрдости, износостойкости и др. Диффузионная металлизация может осуществляться в твёрдых, жидких и газообразных средах. Для твёрдой ДМ используют ферросплавы с добавлением хлористого аммония. В результате реакция металлизатора с НСl или CL2 образуют соединение хлора с металлом, которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов. Жидкую ДМ проводят, погружая детали в расплавленный металл. Газовая ДМ проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Дифузия металлов протекает очень медленно, т. к. образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации. ДМ осуществляется при высоких температурах 900-1200С, в течении длительного времени. В последнее время применяют многокомпонентное насыщение поверхности стали.

Алитирование-процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения окалиностойкости, жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости стали, чугунов и медных сплавов. Алитирование осуществляют, в газовой среде и распылением жидкого алюминия. Наибольшее распространение получило алитирование в порошках, с насыщением из газовой фазы. На поверхности образуется плотная плёнка оксида алюминия, предохраняющая от окисления алитированые изделия. Алитирование производят при температуре 950-1050 С в течение 3-12 ч. Толщина слоя составляет в среднем 0,2-0,8 мм. В частности, алитируют чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие изделия.

Хромирование-процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом, при этом повышается коррозионная стойкость, твёрдость и износостойкость. Хромированный слой хорошо противостоит газовой коррозии при высоких температурах до 800С. Наибольшее применение получило хромирование в порошкообразных смесях феррохрома или хрома, хлористого аммония и оксида алюминия. Хромирование производится при температурах 1000-1050 С в течение 6-12 ч. Толщина получаемого слоя не более 0,2 мм. Хромируют обычно низкоуглеродистые стали. Хромированию обычно подвергают клапаны компрессоров, матрицы штампов для холодной высадки и др.

Борирование - заключается в насыщении поверхностного слоя изделий из низко- и среднеуглеродистых сталей 20,40,40Х, 30ХГС бором при нагревании в боросодержащей среде. Борирование также проводят при электролизе расплавленных солей. Борирование применяют для повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и окалиностойкости тяжело нагруженных деталей. Процесс проводится при температурах 850-950С в течении 2-6 ч. Поверхностный слой состоит из боридов железа, толщина слоя 0,1-0,2 мм, твёрдость его 1800-2000.

Силицирование-термодиффузионное насыщение поверхности изделия кремнием с целью повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, износостойкости и кислотостойкости материалов в агресивных жидких и газовых средах. Толщина слоя составляет 0,3-1 мм. Применяют для гнёзд клапанов, вкладышей подшипников, роторов водяных насосов, рубашек цилиндров и др.

Оцинкование наиболее широко используется в технике. Цинковые покрытия хорошо защищают железо и его сплавы от коррозии на воздухе и в воде. Толщина цинкового покрытия 6-36 мкм зависит от условий эксплуатации изделий. Применяются оцинкованные листы и полосы в жилищном строительстве.

7. Сталь 45 подвергалась отжигу при температурах 830 и 1000С. Превращения происходящие при данном режиме отжига, какие образуются структуры, объяснить причины получения различных структур и свойств

Отжиг - заключается в нагреве стали выше критических температур, выдержки при данной температуре и медленном охлаждении. При отжиге снимается твёрдость, повышается пластичность и вязкость за счёт получения равновесной мелкозернистой структуры. Это позволяет улучшить обрабатываемость заготовок давлением и резанием, исправит структуру сварных швов, перегретой при обработке давлением и литьё стали. Полный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей с содержанием углерода до 0,8%(в нашем случае содержание углерода 0,35-0,4%), для исправления структуры. При полном отжиге нагрев производится на 30-50С выше критических температур Ас3. С последующим медленным охлаждением: Т нагр = Ас3+(30-50) С. При такой температуре нагрева аустенит получается мелкозернистым, и после охлаждения сталь имеет мелкозернистую структуру пластинчатого перлита. Сталь 45 после отжига имеет структуру перлита и феррита. Твердость HB стали 45 после полного отжига не более 1970 МПа.

Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки А3 (к примеру, до 1000єС для стали 45), вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Перегретая Сталь характеризуется хрупким изломом.

Оптимальная температура отжига для стали 45 составляет 810-830єС.

8. Алюминий и его сплавы. Разница между деформируемыми и литейными сплавами

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) - лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе. Нумерация серий сплавов в данной статье приведена для США (стандарт маркировки компании Alcoa)

Алюминиевый прокат

Алюминиево-магниевые Al-Mg (серия 5 ххх). Сплавы системы Al-Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью.

В сплавах этой системы, содержащих до 6% Mg, образуется эвтектическая система соединения Al3Mg2 c твердым раствором на основе алюминия. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5%.

Рост содержания Mg в сплаве существенно увеличивает его прочность. Каждый процент магния повышает предел прочности сплава на 30 МПа, а предел текучести - на 20 МПа. При этом относительное удлинение уменьшается незначительно и находится в пределах 30…35%.Сплавы с содержанием магния до 3% (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре даже в значительно нагартованном состоянии. С ростом концентрации магния в нагартованном состоянии структура сплава становится нестабильной. Кроме того, увеличение содержания магния свыше 6% приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава.

Для улучшения прочностных характеристик сплавы системы Al-Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Попадания в сплавы этой системы меди и железа стараются избегать, поскольку они снижают их коррозионную стойкость и свариваемость.

Алюминиево-марганцевые Al-Mn (серия 3 ххх). Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Основными примесями в сплавах системы Al-Mn являются железо и кремний. Оба этих элемента уменьшают растворимость марганца в алюминии. Для получения мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном.

Присутствие достаточного количества марганца обеспечивает стабильность структуры нагартованного металла при комнатной и повышенной температурах.

Алюминиево-медные Al-Cu (Al-Cu-Mg) (серия 2 ххх). Механические свойства сплавов этой системы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток - низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.

В качестве легирующих добавок могут встречаться марганец, кремний, железо и магний. Причем наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывает последний: легирование магнием заметно повышает предел прочности и текучести. Добавка кремния в сплав повышает его способность к искусственному старению. Легирование железом и никелем повышает жаропрочность сплавов второй серии.

Нагартовка этих сплавов после закалки ускоряет искусственное старение, а также повышает прочность и сопротивление коррозии под напряжением.

Сплавы системы Al-Zn-Mg (Al-Zn-Mg-Cu) (серия 7 ххх). Сплавы этой системы ценятся за очень высокую прочность и хорошую технологичность. Представитель системы - сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов. Эффект столь высокого упрочнения достигается благодаря высокой растворимости цинка (70%) и магния (17,4%) при повышенных температурах, резко уменьшающейся при охлаждении.

Однако существенным недостатком этих сплавов является крайне низкая коррозионная стойкость под напряжением. Повысить сопротивление коррозии сплавов под напряжением можно легированием медью.

Нельзя не отметить открытой в 60-е годы закономерности: присутствие лития в сплавах замедляет естественное и ускоряет искусственное старение. Помимо этого, присутствие лития уменьшает удельный вес сплава и существенно повышает его модуль упругости. В результате этого открытия были разработаны новые системы сплавов Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Mg-Cu-Li.

Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.

кристаллизация температура металл нагрев

Размещено на Allbest.ru