matznav_tkm_DKR

Передмова

Методичні вказівки для виконання контрольної роботи з дисципліни "Матеріалознавство та конструкційні матеріали" містять необхідний теоретичний матеріал та індивідуальні завдання для засвоєння матеріалу студентами напряму підготовки 6.051003 «Приладобудування».

Контрольна робота містить завдання по темам «Діаграма стану залізовуглець», «Термічна обробка сплавів», «Розрахунок густини полікристалічних матеріалів рентгенографічним методом», «Визначення складу і властивостей сплавів за маркуванням», «Визначення складу і властивостей кольорових сплавів за маркуванням», «Використання узагальнюючих характеристик при виборі конструкційних матеріалів».

Контрольна робота, що подається студентом по кожному завданню, повинна містити:

-мету роботи;

-умову задачі;

-результати рішення задачі;

-письмову відповідь на питання кожного завдання;

-письмову відповідь на контрольні питання;

-висновок.

Кожне завдання містить індивідуальні варіанти задач. Вибір варіанту проводиться по двох останніх цифрах номеру залікової книжки.

Матеріал контрольної роботи повинен бути приведений в зошиті або на аркушах паперу формату А4. Відповіді в роботі повинні бути повними, містити необхідний графічний матеріал.

3

Завдання №1 ДІАГРАМА СТАНУ ЗАЛІЗО-ВУГЛЕЦЬ

Мета роботи – навчитися аналізувати фазові перетворення при охолодженні сплавів подвійних систем: твердих розчинів евтектичного типу; зображувати схеми мікроструктур сплавів.

Теоретичні відомості Основне уявлення про будову сталей та чавунів дає діаграма стану

залізо-вуглець. Діаграма стану – це графічне зображення стану сплаву в залежності від концентрації та температури. Діаграма показує рівноважні, стійкі стани – такі, що за даних умов володіють мінімальною вільною енергією. Вивчення сплаву, в першу чергу, починається з побудови та аналізу відповідної системи, оскільки діаграма дає можливість вивчати фази та структурні складові сплаву. За допомогою діаграми стану визначається можливість проведення термічної обробки та її режими, температура гарячої пластичної деформації, лиття тощо.

Діаграма залізо-вуглець повинна поширюватися від заліза до вуглецю (рис. 1.1 та додаток 7). Залізо, у поєднанні з вуглецем, утворюють хімічну сполуку – цементит Fe3C. У такому випадку, перед розглядом системи необхідно ознайомитися з властивостями та будовою цих компонентів.

Температура плавлення заліза – 1539 ° С. У твердому стані залізо може перебувати у двох модифікаціях - Feα та Feγ . Суттєвим та принципово важливим фактором є те, що α - залізо існує у двох температурних інтервалах: нижче 911 ° С та в проміжку від 1392 ° С до 1539 ° С (рис. 1.2).

Це пояснюється тим, що величина вільної енергії залежить від температури. Вільна енергія α-заліза менша від вільної енергії γ-заліза при

4

температурах нижче 911° С та вище 1392 ° С. Тому, при нагріванні до 911 ° С відбувається α-γ перетворення.

1

F

10

L

Рисунок 1.1 – Діаграма залізо-цементит

Високотемпературна модифікація α-заліза не є новою алотропічною формою. Розчинність вуглецю в залізі суттєво залежить від того, в якій кристалічній формі знаходиться залізо. Розчинність вуглецю в α-залізі дуже низька (менша 0,020%) і в 100 разів вища в γ-залізі. Твердий розчин вуглецю та іншого елементу в α-залізі називається феритом, а в γ-залізі – аустенітом. Твердість заліза НВ80.

Цементит – це хімічна сполука вуглецю з залізом Fe3C. Оскільки розчинність вуглецю в залізі низька, за нормальної температури, у більшості випадків, до структури сталі входять високовуглецеві фази у вигляді цементиту чи іншого карбіду. Температура плавлення цементиту становить близько 1250 ° С. Він не піддається алотропічним перетворенням, але при низьких температурах має слабкі феромагнітні властивості.

5

Перед розглядом діаграми варто ознайомитися з основними термінами. Сплав – речовина, що складається з двох чи більше компонентів. Сталь – сплав заліза з вуглецем (вміст вуглецю – до 2,14%).

Чавун – сплав заліза з вуглецем (вміст вуглецю – від 2,14% до 6,67%). Фаза – однорідна частина системи, відділена від інших її частин

системи поверхнею, при переході через яку, хімічний склад або структура речовини різко змінюється.

Компоненти – речовини, які утворюють систему.

Число ступенів свободи – кількість зовнішніх і внутрішніх факторів (тиск, температура, концентрація), яку можна змінювати без зміни кількості фаз в системі.

Аустеніт – твердий розчин вуглецю в γ-залізі. Ферит – твердий розчин вуглецю α-залізі.

Перліт – механічна суміш фериту та цементиту (евтектоїд). Ледебурит – механічна суміш фериту та цементиту (евтектика). Лінія АВСД – лінія початку процесу кристалізації (ліквідус). Лінія AECF – лінія закінчення процесу кристалізації (солідус). Лінія ECF – лінія евтектичного перетворення.

Лінія PSK – лінія евтектоїдного перетворення.

Лінія SE – лінія граничної розчинності вуглецю в аустеніті.

Лінія QР – лінія граничної розчинності вуглецю в фериті.

Для більш детального ознайомлення з діаграмою та процесами перетворень в залізовуглецевих сплавах, досить зручним є поділ діаграми на окремі частини вздовж осей концентрації.

Найбільш характерними сплавами для розгляду процесів, які відбуваються при повільному охолодженні, є сплави з 0,4%; 0,8%; 1,5%; 3,0%; 4,3%; 5,0% вмістом вуглецю. Розглянемо послідовність перетворень в

7

сплаві з концентрацією вуглецю 0,8%. Кристалізація сплаву почнеться за температури, яка відповідає точці 1, коли з нього будуть виділятися кристали γ - твердого розчину.

На початку формуються перші вісі кристалів, в яких міститься набагато менше вуглецю, ніж у сплаві. Далі, по мірі охолодження, будуть формуватися та рости вісі-дендрити. Рідина, що знаходиться навколо них буде безперервно збагачуватися вуглецем, і внаслідок цього, вміст твердого розчину, що виділяється на осях, буде постійно збагачуватися вуглецем. По закінченню процесу затвердіння, твердий розчин буде містити більше вуглецю, ніж його містив даний сплав. Таким чином, внутрішні та зовнішні поверхні дендритів-зерен будуть відрізнятися за кількістю вуглецю у їх складі за рахунок процесу внутрішньо кристалічної ліквації.

Дифузія, яка відбувається у затверділому сплаві, наближається до зменшення різниці та вирівнювання структури складу, але на це потрібен час. Якщо часу на такий процес недостатньо, то ліквація залишається. Таким чином, зерна що затверділи, будуть мати різний склад та концентрацію між внутрішніми та зовнішніми ділянками кожного зерна.

Під час процесу кристалізації, концентрація рідини визначається по лінії АС, а концентрація твердої фази – по лінії АЕ. Концентрація компонентів у фазах та їхня кількість визначається правилом відрізків. В точці а, що лежить в області існування рідкої та твердої фаз, концентрація рідини визначається проекцією точки с, а твердої фази – проекцією точки b на вісь концентрації. Кількість аустеніту визначиться відношенням відрізків ac/bc•100%. Кількість рідкої фази – відношенням відрізків ba/bc•100%.

У точці 2, кількість рідкої фази дорівнює нулю, процес кристалізації закінчується і утворюється однорідний твердий розчин аустеніту. При

8

подальшому зниженні температури зменшується вільна енергія в фазах, зменшуються розміри кристалічних решіток і рухливість атомів.

Нижче температури, відповідної точці 2, сплав буде складатися з однієї фази - аустеніт. Подальше зниження температури сприяє ущільненню решітки та зменшенню її розмірів. Фазовий склад залишається незмінним до точки S. При температурі, що відповідає точці S, почнеться евтектоїдний розпад аустеніту з утворенням фериту і цементиту. Причому, перекристалізація відбувається при постійній температурі внаслідок виділення внутрішньої енергії. Під час перетворення аустеніт-ферит виділяється вуглець (тому гранична розчинність вуглецю в фериті 0,02%) і накопичується по межах кристалів. При накопиченні вуглецю 6,67% на основі найближчого зерна утворюється хімічна сполука цементит.

Нижче температури, відповідної точці S сплав буде складатися з ферито-цементитної механічної суміші (перліт). За умови подальшого зниження температури сплаву, здатність до розчинення вуглецю в фериті буде зменшуватися, а це призведе до подальшого виділення вуглецю і утворення цементиту.

Аналогічно можна проаналізувати сплав з вмістом вуглецю 0,4%. За температури, що відповідає точці 3, почнеться процес первинної кристалізації. У точці 4 сплав буде повністю кристалізованим і складатиметься з твердого розчину - аустеніту. При подальшому зниженні температури фазові перетворення відбуватися не будуть. Однак, розмір зерен зменшиться, і відбудеться їхнє ущільнення. При досягненні температури, відповідної точці 5, почнеться перебудова кристалічної решітки γ - перетворення. Процес утворення фериту супроводжується виділенням надлишкового вуглецю, який збагачує аустеніт. В точці 6 аустеніт буде

9

містити 0,8% вуглецю, при цьому сформуються передумови для утворення перліту.

Таким чином, за температури, що відповідає точці 6, сплав повністю перетвориться на ферито-перлітну суміш. Подальше зниження температури змінить лише концентрацію вуглецю в фериті і відбудеться подальше утворення цементиту.

Кристалізація сплаву, з 1,5% вмістом вуглецю, відрізняється лише тим, що за температури, яка відповідає точці 9, утворюється цементит: в цій точці відбувається межа насичення кристалічної решітки аустеніту - вуглецем (надлишковий вуглець виділяється на межі кристалів). При досягненні кількості вуглецю у 6,67% на основі сусіднього кристалу утворюється цементит. Надалі відбуватиметься зменшення кількості вуглецю в кристалах аустеніту, і за умови концентрації вуглецю 0,8%, з аустеніту, що залишився, утворюється перліт. Зниження температури сплаву призводить до виділення вуглецю феритом і утворення цементиту.

Сплав з вмістом вуглецю 4,3% є евтектичним. При первинній кристалізації утворюється механічна суміш - ледебурит, що складається з твердих фаз аустеніту і цементиту. Процес затвердіння відбувається за постійної температури, так як відбувається процес виділення внутрішньої енергії. Подальше зниження температури змінює лише форму і розміри кристалічної решітки, а також енергетичний стан. У точці 12 відбудеться перебудова кристалічної решітки, і аустеніт перетвориться на перліт.

У сплаві з 3% вмістом вуглецю, первинна кристалізація починається з виділення кристалів аустеніту. Якщо температура нижча від температури, відповідної точці 13, сплав буде складатися з рідини і твердої фази аустеніт. Концентрація вуглецю в фазах буде зменшуватися з пониженням температури. У точці 14, з рідини, за умови постійної температури,

10

утворюється ледебурит, а надлишковий вуглець разом з кристалами аустеніту утворює цементит.

Якщо температура нижча від температури, відповідної точці 14, сплав буде складатися з аустеніту, цементиту і ледебуриту. Подальше зниження температури супроводжуватиметься ущільненням кристалічної решітки і утворенням цементиту, внаслідок зменшення граничної розчинності вуглецю в аустеніті. У точці 15 відбуваються поліморфні перетворення аналогічно попереднім.

Особливістю кристалізації сплаву з вмістом вуглецю 5% є те, що з рідини відразу утворюється цементит і зменшується кількість вуглецю в ній. За температури, що відповідає точці 17, із решти рідини утворюється ледебурит і сплав буде складатися з цементиту і ледебуриту. Надалі процес кристалізації буде відбуватися аналогічно і до інших сплавів.

Завдання до виконання контрольної роботи

1.За діаграмою стану залізо-цементит, описати структурні і фазові перетворення, які будуть відбуватися при повільному охолодженні з рідкого стану сплаву з заданим вмістом вуглецю. Дайте характеристику цього сплаву

івизначте для нього (при заданій температурі) кількість, склад фаз та їхнє процентне співвідношення, використовуючи дані табл. 1.1.

2.Накреслити діаграму стану залізо-цементит, провести на ній ординату, відповідну заданому сплаву, і позначити на ній усі критичні точки. Поряд з діаграмою накреслити графік охолодження даного сплаву, показавши зв'язок критичних точок на діаграмі і на графіку. Описати сутність перетворень, що відбуваються в сплаві при повільному охолодженні. На ординаті сплаву через точку, що відповідає заданій температурі, провести горизонтальну лінію до відповідної фазової області, позначити крайні і

11

задану точки, знайти концентрацію сплаву в цих точках і співвідношення фаз, використовуючи правило відрізків.

3.Відповісти на питання.

1.Що таке аустеніт?

2.Максимальна розчинність вуглецю в аустеніт та за якої температури?

3.Що таке ферит, цементит, перліт, ледебурит?

4.Умови утворення перліту?

5.Умови утворення ледебуриту?

6.У яких сплавах утворюється первинний цементит?

7.У яких сплавах утворюється вторинний цементит?

8.Евтектоїдні перетворення, їх умови.

12