Магнитное превращение в металлах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос 1. Опишите магнитное превращение в металлах. Приведите примеры

Некоторые металлы (железо, кобальт, никель) отличаются способностью хорошо намагничиваться. Это свойство называется ферромагнитным.

При нагреве ферромагнитные свойства теряются. Кюри показал, что потере ферромагнитных свойств соответствует определенная температура, названная точкой Кюри. Для никеля - 400°С, железа-770°С, кобальта-1200°С.

поликристаллический металлокерамика жидкий деформация

Изменение магнитных свойств железа, никеля и кобальта в зависимости от температуры.

Магнитные отличаются от полиморфных превращений, а именно -магнитные сопровождаются изменением кристаллической решетки, происходящей в интервале температур.

Вопрос 2. Вычертите диаграмму состояния системы медь - мышьяк. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правила Курнакова - Матиссена

В основу обобщенной диаграммы состояния положены экспериментальные работы.

В системе образуются твердые растворы на основе компонентов (Си) и (As) и фазы в, г и д. Фаза г плавится конгруэнтно при 827°С. Фаза в образуется по перитектоидной реакции при температуре 325°С, а фаза д - по перитектической реакции при температуре 709°С.

Фазы г и д претерпевают полиморфное превращение при температурах 450-475°С и 380°С, соответственно. Интервал области гомогенной фазы в составляет -25,4-26,3 % (ат.) As, 24,94-26,88 % (ат.) As, 25,65-27,35 % (ат.) As; при построении диаграммы приняты значения 25,0-27,8 % (ат.) As, полученные на основании измерения параметра решетки в интервале температур 300-700°С.

Область гомогенности фазы д ограничена составами As₂Cu₅-As₈Cu₁₉.

Участок диаграммы вблизи чистого As приведен с учетом температуры сублимации As (603 °С).

Растворимость As в (Cu) 6,83 % (ат.) составляет эвтектической температуре 685°С, при 6,5 % (ат.) при температуре перитектоидного превращения 5,1 % (ат.) As при температуре 25 °С. Растворимость Cu в (As) пренебрежимо мала.

Вопрос 3. Опишите механизм упругой и пластической деформации реального (поликристаллического) металла

Механизм пластической деформации поликристалла сложнее, чем монокристалла, так как в поликристалле зерна отличаются между собой по форме и размерам, обладают неодинаковыми физико-механическими свойствами, различно ориентированы по отношению к деформирующей нагрузке и т.п.

Общее формоизменение поликристаллического тела складывается из пластической деформации составляющих его зерен и их относительного смещения. Поэтому различают внутрикристаллитную и межкристаллитную деформации поликристалла. Первая протекает путем скольжения и двойникования, вторая - путем поворота и перемещения одних зерен относительно других. Преобладание того или иного вида деформации определяется соотношением прочности отдельных зерен и их границ в данных условиях деформирования. При комнатной температуре прочность границ зерен, как правило, выше прочности зерен. Поэтому при холодной обработке давлением внутрикристаллитная деформация является основным процессом, обуславливающим изменение форм поликристалла.

С повышением температуры прочность зерен становится больше прочности их границ из-за наличия на границах зерен легкоплавких примесей и меньшей термодинамической устойчивости пограничных зон самого металла. Поэтому при горячей обработке давлением преобладает межкристаллитная деформация.

Пластическая деформация поликристалла при действии внешних сил начинается в наиболее благоприятно расположенных зернах. В этих зернах плоскости скольжения составляют с направлением усилия угол, близкий к 45°. Остальные зерна в это время поворачиваются, и когда их плоскости скольжения составят с направлением действия усилия угол 45 , они также начинают деформироваться. В конце концов, большинство зерен вытягивается в направлении наиболее интенсивного течения металла. После деформации плоскости скольжения большинства зерен ориентированы водном направлении. Иными словами возникает текстура деформации, приводящая к анизотропии свойств поликристалла.

Механические и другие свойства также получают направленность, которая на материалах, подвергнутых обработке с большими степенями деформации, полностью не устраняется даже отжигом при высоких температурах.

Упругая деформация - это деформация, при которой металл полностью восстанавливает форму и размеры после прекращения действия сил, вызывавших эту деформацию.

Упругая деформация сопровождается изменением объема тела. Так, при появлении упругой деформации в направлении действия внешней силы в перпендикулярном к ней направлении возникает упругая деформация противоположного знака. Из этого следует, что при вынужденном удалении атомов друг от друга в одном направлении в перпендикулярном к нему направлении атомы сближаются.

Упругая деформация характеризуется двумя основными константами: модулем Юнга и коэффициентом Пуассона. При этом модуль Юнга является показателем, который характеризует сопротивление металла упругой деформации, а коэффициент Пуассона определяет относительное изменение объема металла.

При упругой деформации физико-химические свойства напряженного тела будут изменяться: металлы имеют меньшую электропроводность и значительно большую растворимость, чем те же металлы в ненапряженном состоянии.

При достижении упругой деформацией величины, превышающей предел упругости, наступает пластическая или остаточная деформация.

Вопрос 4. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,7% С. Для заданного сплава определите процентное содержание углерода в фазах при температуре 950⁰С

При нагреве до точке 3 превращений нет и чугун имеет структуру: ледебурит +перлит +вторичный цементит. При этом эвтектика состоит из цементита и перлита. В точке 3 (t- 727 °С) происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение претерпевает как свободный перлит, так и перлит, входящий в эвтектику. Выше точки 3 чугун состоит из аустенита + ледебурита. При этом эвтектика состоит из цементита и аустенита. От точки 3 (727°С) до точки 2(1147°С) происходит растворение вторичного цементита в аустенит и насыщаются углеродом до 2,14%, в точке 2 плавится ледебурит. Выше точки 2 чугун состоит из аустенита и жидкого сплава. От точки 2 до точки 1 плавится аустенит. Выше точки 1 чугун находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до точки 1 чугун находится в жидком состоянии. В точке 1 начинается кристаллизация аустенита. От точки 1 до точки 2 (1147° С) происходит кристаллизация аустенита и в точке 2 чугун состоит из аустенита с содержанием 2,14% углерода жидкого сплава эвтектического состава (4,3% углерода).

В точке 2 происходит эвтектическая кристаллизация и образуется ледебурит, состоящий из цементита и аустенита, с содержанием углерода 2,14%. От точки 2 (1147° С) до точки 3 (727°С) из аустенита, как свободного, так и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит и содержание углерода понижается до 0,8%. Следовательно, в этом интервале температур чугун состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита.

В точке 3 (727 С) происходит превращение аустенита в перлит.

Ниже точки 3 чугун состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита.

а) б)

а) диаграмма железо-цементит, б) кривая охлаждения для сплава, содержащего 2,7% углерода.

Определим для заданного сплава при температуре 1250 °С состав фаз. Для определения состава фаз, лежащего между линиями ликвидус и солидус, нужно провести через данный температурный уровень линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус. Тогда проекция точки пересечения этой линии с ликвидусом на ось концентрации укажет количество углерода в жидкой фазе (т.е. 3,4% С), точка пересечения с линией солидус- в составе твердой фазы (1,45% С).

Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводим также горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Если массу сплава считать равной единице (или 100%) и изображать отрезком, то масса кристаллов у данного сплава равна (в %) отношению

Количество жидкости при данной температуре и содержании углерода 3,3% равно

Отношение количества твердой и жидкой фаз определяется

соотношением

Вопрос 5. С помощью диаграммы состояния железо-карбид железа определите температуру полного и неполного отжига и нормализации для стали 20. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и дайте краткое описание микроструктуры и свойств стали после каждого вида обработки

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50 °С выше температуры, соответствующей точке А_с3 (для стали 20 А_с3 = 845 °С), выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.

При медленном охлаждении стали приближаются к фазовому и структурному равновесию. Структура после отжига - феррит + перлит. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность.

Основные цели отжига: перекристаллизация стали (измельчение зерна), снятие внутренних напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки А₁ (для стали 20 А₁ = 724°С). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обрабатываемости резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали - вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Структура после отжига - феррит + перлит.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку А_с3 на 40-50 °С, в непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, сорбита или троостита. Это повышает прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.

Вопрос 6. В результате термической обработки оправки должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость НВ250-280). Для изготовления их выбрана сталь 35ХМА:

а) расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данная сталь по назначению;

б) назначьте режим термической обработки, приведите подробное его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали;

в) опишите микроструктуру и главные свойства стали после термической обработки

Хромомолибденовая сталь 35ХМА - конструкционная высокопрочная среднелегированная, 0,35% углерода, не более 1-1,5% хрома и молибдена, А - высококачественная.

Сталь 35ХМА участвует в производстве различных улучшаемых деталей: валов, осей, зубчатых колес, тормозных лент моторов, фланцев, корпусов обшивки, лопаток компрессорных машин, рычагов, толкателей. Кроме того, данная марка нужна для производства деталей турбин, валов, шестерней, шпинделей, шпилек, болтов, гаек, фланцев, дисков, покрышек, штоков и других ответственных деталей, работающих в условиях больших нагрузок и скоростей при температуре до 450-500 °С.

Стали закаливаются от 820-880°С (в зависимости от состава) в масле (крупные детали охлаждают в воде) и проходят отпуск при 550-880°С. После такой обработки структура стали - сорбит. Стали должны иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости.

Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хруп-кости.

При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению - низкий порог хладноломкости, высокое значение работы разви-тия трещины КСТ и вязкость разрушения.

Наличие в структуре нижнего бейнита не снижает конструк-тивной прочности стали. Если в структуре наряду с мартенситом присутствуют верхний бейнит или продукты диффузионного распада аустенита (перлит, троостит), сопротивление хрупкому и вязкому разрушению снижается и повышается порог хладноломкости. Высокий отпуск, вызывающий сфероидизацию и коагуляцию карбидов цементитного типа, сохраняя достаточно высокое значение у_0,2, понижает порог хладноломкости, повышает трещиностойкость К_1с и работу распространения трещины КСТ.

Механические свойства будут зависеть от той термической обработки, которую проходит сталь (деталь) на машиностроитель-ном заводе, и прежде всего от принятой температуры отпуска.

Назначим для стали 35ХМА следующую термообработку: закалка от температуры 860⁰С в масле; высокий отпуск от 500°С в масле. После закалки сталь имеет структуру - мартенсит, а после отпуска - сорбит отпуска. Термообработка задаст стали следующие свойства: у_в = 950 МПа, у_0,2 = 750 МПа, д₅ = 12%, ш = 45%.

Хром - сравнительно дешевый элемент и широко используется для легирования стали. В конструк-ционных сталях он частично растворен в феррите, частично в цементите или образует специальные карбиды. В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточ-ное превращение; при закалке с охлаждением в масле сердцевина изделия имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали по сравне-нию с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине. Прокаливаемость хромистых сталей невелика. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым; для мелких деталей - в масле и для крупных - в воде. Молибден, содержащийся в стали повышает ее теплостойкость и устраняет отпускную хрупкость.

Вопрос 7. Для изготовления деталей самолета выбран сплав АМг:

а) расшифруйте состав сплава;

б) опишите, каким способом производится упрочнение этого сплава, объясните природу упрочнения;

в) приведите механические свойства сплава

Состав сплава - алюминий и магний. Магний повышает прочность, но с увеличением концентрации магния уменьшается пластичность.

Сплав АМг - является единственным деформируемым сплавом, так называемой бинарной системы Al - Mn . Он обладает высокой коррозионной стойкостью, полуфабрикаты из сплава АМг хорошо свариваются газовой, атомно-водородной, аргоно-дуговой и контактной сваркой. Сплавы типа АМг в равновесном состоянии после охлаждения двухфазные (б+в). Однако вследствие высокой устойчивости твёрдого раствора и малой скорости диффузии магния в алюминии, даже после медленного охлаждения, они не содержат избыточных фаз и состоят только из б-твёрдого раствора. Сплав хорошо деформируется, как в холодном состоянии, так и в горячем, температурный интервал (320-470°C). Используется для сварных клёпаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и высоко сопротивляющиеся коррозии, например, ёмкости для жидкостей, трубопроводов, палубных надстроек.

Упрочение: Прочность сплава АМг возрастает (а пластичность уменьшается) с увеличением степени легирования. Высокая коррозионная стойкость и свариваемость определяет их применение в конструкциях малой нагруженности. Сплавы системы Al--Mg обладают повышенной склонностью к взаимодействию с газами и к образованию газовой и газоусадочной пористости, а при взаимодействии с азотом и парами воды образуются неметаллические включения и оксидные плены. Плавку сплавов следует проводить под слоем флюса, а если в их состав входит Be, тогда без флюса.

Добавочно легирован марганцем (0,3-0,6%). При этом образуются дисперсные частицы Al-Mn, которые упрочняют сплав и способствуют измельчению зерна. Упрочение сплавов достигается в резком образовании твёрдого раствора и в меньшей степени избыточными фазами.

Характеристики механических свойств:

- напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют пределом прочности ув=22кгс/мм²;

- напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% называют условным пределом текучести у0,2=11кгс/мм²;

- пластичность - характеризует величина д=20%.

Вопрос 8. Применение металлокерамики в машиностроении. Обоснование технико-экономических преимуществ и основные области применения

Металлокерамика - искусственный материал, представляющий собой гетерогенную композицию металлов или сплавов с неметаллами (керамикой).

Другие названия: керметы, керамико-металлические материалы, спеченные антифрикционные материалы.

Металлическая фаза металлокерамических материалов может содержать Cr, Ni, Al, Fe, Со, Ti, Zr и их сплавы. К керамической фазе относят оксиды (Al₂O₃, Cr₂O₃, SiO, SiO₂, ZrO₂), карбиды (SiC, Cr₃C₂, TiC), бориды (Cr₂B₂, TiB₂, ZrB₂), силициды (MoSi), нитриды (TiN) и углерод (алмаз, графит). Содержание керамической составляющей в металлокерамике в зависимости от ее типа изменяется в широких пределах от 15 до 85% (по объёму).

Металлокерамики объединяют важные конструкционные и эксплуатационные свойства металлов и неметаллов. Они отличаются большой прочностью, высокими износо- и теплостойкостью, антикоррозионными свойствами. Применяются в качестве антифрикционных или защитных покрытий деталей и самостоятельных конструкционных материалов в авиастроении, автомобилестроении, транспортном и химическом машиностроении, электроприборостроении, турбостроении и других отраслях промышленности.

В стоматологии металлокерамикой называют несъемные зубные протезы (мостовидные протезы, коронки), представляющие собой металлический каркас с нанесенной на него керамической массой. В данной ситуации о композиции как таковой речи не идет, есть каркас из металла и керамическая масса, удерживающаяся на нем за счет макро- и микроретенции.

В науке и технике понятие - металлокерамика, обычно связывают с порошковой металлургией. Здесь металлокерамику получают прессованием заготовок из порошков (металлов и керамики) с последующим их спеканием. Так производят твердые металлокерамические материалы (твердые сплавы), используемые для обработки металлов резанием и для бурения горных пород.

Другим примером металлокерамики, полученной спеканием порошков смеси железа и графита, могут служить пористые самосмазывающиеся подшипники, материал которых после спекания пропитывают маслом.

Методом газотермического напыления частиц порошка получают металлокерамические покрытия для защиты поверхностей деталей от износа и коррозии при производстве деталей. Этот же метод формирования металлокерамического покрытия используется для ремонта при восстановлении размеров изношенных деталей.

Тонкопленочную металлокерамику получают методом термического испарения металла или сплава в вакууме и конденсации его паров на поверхности пластинки (подложки). Примером может служить микрокомпозиция Cr - SiO, используемая при изготовлении тонкопленочных резисторов.

Из металлокерамики на основе оксида алюминия изготавливаются запорные элементы керамических трубопроводных кранов.

Литература

Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. - 3-е изд., перераб. и доп. / Репринтное произведение издания, 1990 г. - М.: ЭКОЛИТ, 2011.

Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986.

Материаловедение в машиностроении / А. М. Адаскин, В. Н. Климов, А. К. Онегина, Ю. Е. Седов. - М.: Юрайт, 2012.

Петрова И.В., Малеева СБ., Никитин А.И., Стрельников И.А. Методические указания к контрольным работам по дисциплине «Материаловедение». Учебное пособие. - Чебоксары: ВФ МАДИ (ГТУ), 2007.

Плошкин В.В. Материаловедение: Учебное пособие / В.В. Плошкин. 2-е изд., перераб. доп. - М.: Издательство Юрайт, 2011.

Сильман Г.И. Материаловедение. - М.: Академия, 2008.

Фиргер И.В. Термическая обработка сплавов. Л.: Машиностроение, 2003.

Размещено на Allbest.ru