Исследование характеристик конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Задание 1

Пользуясь исходными данными и диаграммой состояния железо-цементит, произвести анализ заданного сплава: описать структурные и фазовые превращения, происходящие при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода 1,5%, а также дать характеристику этого сплава и определить для него при заданной температуре 800єС - количество, состав фаз и их процентное соотношение.

Решение: цементит сплав углерод

Диаграмма состояния Fe-Fe3C (рис. 1) характеризует фазовый состав и структуру в системе с концентрацией железа от 100 % до 93,33%. По оси абсцисс диаграмма имеет две шкалы, показывающие содержание углерода в сплаве и количество цементита. Координаты характерных точек приведены в табл. 1.

Рисунок 1 - Диаграмма состояния Fe-Fe3C

Таблица 1 - Характерные точки диаграммы состояния железо-цементит

На рис.3 видно, что структурно-свободный цементит (цементит вторичный) в объеме медленно охлажденной стали располагается вокруг перлитных зерен и металлографически это проявляется в виде цементитной сетки. Такое расположение вторичного цементита способствует повышению хрупкости и снижению вследствие этого, прочности. Поэтому от цементитной сетки избавляются путем отжига на зернистый перлит, добиваясь более равномерного распределения зерен цементита в стали.

Задание 2

Расшифровать маркировки, указать области применения и основные свойства металлических сплавов: Ст4кп; 10ХСНД; СЧ15-32.

Решение:

Ст4кп - сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества № 4 по ГОСТ 380-94, кипящая.

Применение: балки двутавровые, швеллеры, угловая сталь.

Химический состав в % стали Ст4кп представлен в таблице 2.

Таблица 2

Механические свойства при Т= 20С стали Ст4кп: ув = 410-520 МПа, ут = 230-260 МПа, д = 23%

10ХСНД - конструкционная низколегированная хромокремне-никелевая с медью сталь для сварных конструкций. Расшифровка по 0,1 % углерода, 1% хрома, кремния, никеля + до 1% меди. Элементы сварных металлоконструкций и различные детали, к которым предъявляются требования повышенной прочности и коррозионной стойкости с ограничением массы и работающие при температуре от -70 до 450 °С [8].

Химический состав в % стали 10ХСНД (ГОСТ 19281-89) представлен в таблице 3.

Таблица 3

Технологические свойства стали 10ХСНД:

- свариваемость: без ограничений;

- флокеночувствительность: не чувствительна;

- склонность к отпускной хрупкости: малосклонна.

СЧ15-32 - серый ферритный чугун с пластинчатым графитом, с пределом прочности при растяжении 150 МПа (15 кгс/мм2) и пределом прочности при изгибе 320 МПа (32 кгс/мм2) [8].

Химический состав в % материала СЧ15-32 (ГОСТ 1412-85) представлен в таблице 4.

Таблица 4

Применение: рукоятки, крышки и другие неответственные отливки.

Линейная усадка: 1,1%.

65 Г - сталь конструкционная рессорно пружинная [8].

Химический состав в % материала 65 Г представлен в таблице 5.

Таблица 5

Применение: пружины, рессоры, упорные шайбы, тормозные ленты, фрикционные диски, фланцы, корпусы подшипников, зажимные и подающие цанги и другие детали, к которым предъявлятся требования повышенной износостойкости и детали работающие без ударных нагрузок.

Задание 3

Кратко охарактеризовать и рассчитать рентгенографическую плотность заданного согласно варианту металла - железо (Fe), ГЦК, а = 3,64 Е, (100). Назвать индексы плотноупакованных плоскостей и направлений кристаллических решеток. В двух элементарных ячейках металла, имеющих общую плоскость, изобразить точечные дефекты: вакансии, дислоцированные атомы, примесные атомы «внедрения» и «замещения».

Решение:

Железо (Fe) имеет четыре модификации, из них три аллотропических. Так, б-фаза существует в интервале температур до 910єС; немагнитная модификация железа в интервале температур от 768 до 910єС называется в-фазой; г-фаза существует в интервале температур 910 - 1400єС; д-фаза существует в интервале температур 1400 - 1536єС, причем, б -фаза, в - фаза и д -фаза имеют ОЦК - решетку, г-железо - гранецентрированную решетку (рис. 3):

Рисунок 4 - Полиморфные превращения железа

У ГЦК-решетки элементарной ячейкой служит куб с центрированными гранями. При подсчете числа атомов в каждой элементарной ячейке следует иметь в виду, что каждый атом входит одновременно в несколько ячеек. Так, для ГЦК-решетки, каждый атом, находящийся в вершине куба, принадлежит 8 ячейкам, а атом, центрирующий грань, двум. И лишь атом, находящийся в центре куба, полностью принадлежит данной ячейке. Таким образом, ГЦК-ячейки содержат соответственно 4 атома. Для ГЦК решетки координационное число равно 12 (К12).

При определении плотности по данным рентгенографического анализа используется связь значений плотности вещества (металл, минерал) с атомными массами составляющих его элементов и объемом, занимаемым ими.

Так как параметры элементарной ячейки известны, и учитывая, что единицей измерения параметра ячейки является ангстрем (1Е= 10-8 см), то для расчета плотности вещества с (г/см3) удобно пользоваться следующей формулой:

(1)

где А - грамм-атом, для железа - 55,845 а.е.м.;

Z - число атомов элеменaтарной ячейки, для ОЦК - Z = 4;

V0 - объем элементарной ячейки, для кубической сингонии, V0 = a3.

В справочной литературе приводится значение плотности г_Fe 7,65 г/см3, таким образом, с учетом статистической погрешности можно считать расчет плотности верным.

Рассмотрим пример ГЦК структуры. В ней существуют четыре плотноупакованные плоскости типа (111) (рис. 4). В каждой из них лежит по три направления скольжения. Следовательно, имеется 12 основных систем скольжения. [7]

а) б)

Рисунок 5- Тип кристаллической решётки

а) Координационное число в ГЦК кристаллической решетке

б) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (4 атома на ячейку)

В большинстве ГЦК кристаллов скольжение происходит почти по любой плоскости, в которой имеются плотноупакованные направления. Плоскости скольжения в ГЦК кристаллах изображены на рисунке 6

Рисунок 6 - Плоскости и направления скольжения в ГЦК-решетке

Изобразим точечные дефекты кристалла, рисунок 7.

Рисунок 7 - Типы точечных дефектов кристаллической решетки: 1) межузельный атом; 2) вакансия; 3) примесный атом внедрения; 4) примесный атом замещения

Изобразим точечный дефект на рисунке 8

а)

б)

Рисунок 8 - Схема точечного дефекта внедрения в кристаллах (а)

Схема точечного дефекта вакансии в кристаллах (б)

Список литературы

1. Арзамасов, В.Б. Материаловедение и технология конструкционных материалов / В.Б. Арзамасов, А.Н.Волчков, В.А. Головин. - Под общей ред. Арзамасова Б.Н. 3-е изд., стереотип., М.: Академия, 2007. - 448 с.

2. Материаловедение. Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов и [др.]. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 648 с.

3. Геллер Ю. А. Материаловедение / Ю. А. Геллер, А. Г. Рахштадт. - Москва : Металлургия, 1989. - 456 с.

4. Колачев Б. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов / Б. А. Колачев, Б. А. Ливанов, В. И. Елагин. - Москва : Металлургия, 1981. - 416 с.

5. Металловедение и технология металлов : учеб. для вузов / Ю.П. Солнцев [и др.]. - Москва : Металлургия, 1988.- 512 с.

6. Технология конструкционных материалов; Дальский А.М., Барсукова Т.М., Вязов А.Ф.; Машиностроение; 2005. - 592 с.

7. Деформации скольжения [Электронный ресурс] / Режим доступа:

http://dssp.petrsu.ru/p/tutorial/ftt/Part4/part4_4_1.htmсвободный. -Загл. с экрана. - рус., англ.

8. Марочник стали и сплавов [Электронный ресурс] / Национального технического университета ХПИ профессора Бреславского Д.В.ред. Программист - к.т.н. Бреславская Е.А. Режим доступа:http://www.splav.kharkov.com/mat_start.php?name_id=355, свободный. -Загл. с экрана. - рус., англ.

Размещено на Allbest.ru