Строение и основные характеристики материалов

Строение и основные характеристики материалов

Задание 1. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки молибдена (параметры, координационное число, плотность упаковки).

Решение. Металлы имеют кристаллические решётки различных типов. Чаще всего встречаются три типа: кубическая объёмно-центрированная решётка (ОЦК), кубическая гране-центрированная решётка (ГЦК), гексагональная плотноупакованная кристаллическая решётка (ГПУ). Молибден имеет кубическую объемно-центрированную решетку (ОЦК), которая содержит 9 атомов: 8 располагаются по узлам ячейки и 1 атом в центре (рис.1).

Рис.1. Кубическая объемно-центрированная кристаллическая решетка

Кристаллические решетки характеризуют следующие основные параметры: период решетки; атомный радиус; энергия решетки; координационное число; базис и коэффициент компактности решетки.

Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки. Периоды решетки выражаются в ангстремах - Å (1Å= 10^-8 cм). Для молибдена период решетки равен 3,147 Å

Под атомным радиусом понимают половину межатомного расстояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке элемента при нормальной температуре и атмосферном давлении. Для молибдена атомный радиус равен 139 пм.

Однако атомный радиус не является неизменной величиной, а изменяется в зависимости от ряда факторов, важнейшими из которых являются координационное число и тип химической связи между атомами в кристалле.

Энергия кристаллической решетки определяется как энергия, выделяющаяся при образовании кристалла из ионов, атомов или других частиц, образующих кристалл, когда исходное состояние этих частиц газообразное. От величины энергии решетки зависят такие свойства, как температура плавления, модуль упругости, прочность, твердость и др. Увеличение валентности атомов приводит к увеличению энергии решетки.

Координационное число K показывает количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки, базис решетки равен:

(1 + 1/8-8 = 2)

Коэффициент компактности (плотность кристаллической решетки) - это отношение объёма, который занимает атом ко всему объёму. Плотность кристаллической решетки характеризуется координированным числом (КЧ), под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки. Координированное число для такого типа решётки равно 8 (КЧ=8), плотность кристаллической решётки равна 68%.

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

Решение. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (переменная растворимость)

По внешнему виду диаграмма похожа на диаграмму состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Отличие в том, что линии предельной растворимости компонентов не перпендикулярны оси концентрации. Появляются области, в которых из однородных твердых растворов при понижении температуры выделяются вторичные фазы:

линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;

линия солидус аdceb, состоит из трех участков;

dm - линия предельной растворимости серебра в меди;

en - линия предельной растворимости меди в серебре;

α - кристаллы твердого раствора серебра в меди;

β - кристаллы твердого раствора меди в серебре

Сплав с концентрацией компонентов, соответствующей точке с, является эвтектическим сплавом. Сплав состоит из мелкодисперсных кристаллов твердых растворов α и β, эвт. (кр. тв. р-ра α + кр. тв. р-ра β).

Выше линии асb сплав меди с серебром находится в жидком состоянии и представляет собой однофазный жидкий раствор (ж. р.). Эта линия называется линией ликвидус (с греч. - жидкий), линия adceb - линия солидус (с греч. - твердый), ниже этой линии сплавы находятся в виде твердых растворов (т. р.). Между линией ликвидус и солидус находится двухфазная область: жидкий сплав и кристаллы твёрдого раствора серебра и меди.

На участке adm (ebn) сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора α (β).

Ниже линии dm (bn) твердый раствор α (β) оказывается насыщенным серебром (медью), при более низких температурах растворимость второго компонента уменьшается, поэтому из α (β) - раствора начинает выделяться избыточный компонент в виде кристаллов βII (αII). Сплав состоит из двух фаз: кристаллов твердого раствора α (β) и вторичных кристаллов твердого раствора βII (αII).

Ниже линии dc (ce) сплав состоит из: кристаллов твердого раствора α (β), эвтектики и вторичных кристаллов твердого раствора βII (αII).

Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора α. На участке 1-2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре. При достижении температуры соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора α. При достижении температуры, соответствующей точке 3, твердый раствор α оказывается насыщенным компонентом В, при более низких температурах растворимость второго компонента уменьшается, поэтому из α-раствора начинает выделяться избыточный компонент в виде кристаллов βII. За точкой 3 сплав состоит из двух фаз: кристаллов твердого раствора α и вторичных кристаллов твердого раствора βII.

Правило Н.С. Курнакова устанавливает связь между типом диаграммы состояния и характером изменения физико-механических свойств.

Рис.2 Связь между диаграммой состояния и свойствами сплава.

Если сплавы образуют ограниченные твердые растворы, то в области однофазных твердых растворов свойства изменяются по криволинейному закону, а в области механической смеси твердых растворов - по прямолинейному закону (рис.2). Причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь. Наибольшая твердость или электросопротивление могут быть у насыщенных твердых растворов α либо β.

Задание 3. Для каких практических целей применяют наклеп и почему?

Решение. Наклёп металлов и сплавов - изменение структуры и соответственно свойств металлов и сплавов, вызванное пластической деформацией при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклёпом называется также технологический процесс создания упрочнённого состояния материала холодной поверхностной пластической деформацией.

Явление наклёпа объясняется накапливанием в металле части энергии деформации, которая расходуется на искажение кристаллической решётки, образование преимущественно ориентированных кристаллов (текстур), изменение дислокационных структуры, а также на увеличение удельного объёма металла в слое. Различают два вида наклёпа: фазовый и деформационный. Деформационный наклёп является результатом действия внешних деформационных сил. При фазовом наклёпе источником деформаций служат фазовые превращения, в результате которых образуются новые фазы с отличным от исходной (-ых) удельными объёмами.

Деформационный наклёп:

Дробеструйный наклёп - упрочнение, которое достигается за счёт кинетической энергии потока круглой чугунной или стальной дроби, а также других круглых дробей, например керамической, направляемым скоростным потоком воздуха, или роторным дробомётом.

Центробежно-шариковый наклёп (нагартовка) - создаётся за счёт кинетической энергии шариков (роликов), расположенных на периферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются вглубь гнезда.

Так же как и термическая обработка, наклеп позволяет значительно улучшить механические свойства металлов.

В технике наклёп используется для поверхностного упрочнения деталей. Кроме того наклёп приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений, влияние которых главным образом и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации, выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости.

Наклеп применяют по многим причинам, например, данная процедура, повышая усталостное сопротивление, также позволяет создавать изгибы на тонкостенных деталях, таких как элементы планера самолета (дробеструйное формообразование), чего не удалось бы достичь при термической обработке.

Задание 4. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,8% С. Для заданного сплава определите процентное содержание углерода в фазах при температуре 1450°С.

Решение. Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом в железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

Аустенит (обозначают A или γ) - твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Имеет ГЦК - решетку, растворяет углерода до 2,14 %, немагнитен, твердость (HB 160-200).

Феррит (обозначают Ф или α) - твердый раствор внедрения углерода в Feα. Имеет ОЦК - решетку, растворяет углерода до 0,02 % (727 ºC), при 20 ºC менее 0,006 %, ферромагнитен до температуры 769 ºC, твердость (HB 80-100).

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (Fe₃C). Содержит 6,67 % C. При нормальных условиях цементит тверд (HB 800) и хрупок. Слабо ферромагнитен до 210 ºC.

Рис.3. Диаграмма состояния Fe - Fe₃C (в упрощенном виде).

Линии диаграммы состояния Fе - Fе₃C:

Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах.

Рассмотрим значение линий диаграммы при медленном охлаждении.

ACD - линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.

AECF - линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

АС - из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.

CD - линия выделения первичного цементита.

AE - заканчивается кристаллизация аустенита.

ECF - линия эвтектического превращения.

GS - определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 ºC).

GP - определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.

PSK - линия эвтектоидного превращения.

ES - линия выделения вторичного цементита.

PQ - линия выделения третичного цементита.

Области диаграммы состояния Fe - Fe₃C:

Линии диаграммы: делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений.

I - Жидкий раствор (L).

II - Жидкий раствор (L) и кристаллы аустенита (А).

III - Жидкий раствор (L) и кристаллы цементита первичного (Ц_I).

IV - Кристаллы аустенита (А).

V - Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф).

VI - Кристаллы феррита (Ф).

VIII - Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (Ц_III).

IX - Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П).

X - Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (Ц_II).

XI - Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (Ц_II).

XII - Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (Ц_II) и ледебурита превращенного (Л пр).

XIII - Кристаллы ледебурита и цементита первичного (Ц_I).

XIV - Кристаллы цементита первичного (Ц_I) перлита (П) и ледебурита превращенного (Л пр).

Превращения в железоуглеродистых сплавах

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C (рис.3) показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.

Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (L), так и в твердом состоянии.

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. 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 Υ-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.

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 727°С имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные - перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727°С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращается 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 727°С состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727°С состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

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;

- 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 0,8%С, называется эвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре перлит.

Определим процентное содержание углерода в фазах при температуре 1450°С. Для определения содержания углерода в фазах нужно провести через данный температурный уровень линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями HN, JN, JE, BC, CD и DF. Тогда проекция точки пересечения этой линии с HN (точка a) на ось концентрации укажет количество углерода (т.е.0.1% С), точка пересечения с линией JN (b) - 0.15%С, c линией JE в составе твердой фазы (точка c) - 0.35%С, с линией ВС в жидкой фазе (точка d) - 1,5 %С, с линией CD (точка e) - 5.07%C и с DF (точка f) - 6.67%C.

Задание 5. В чем заключается отрицательное влияние цементитной сетки на свойства инструментальной стали У10 и У12? Какой термической обработкой можно ее уничтожить? Обоснуйте выбранный режим термической обработки.

Решение. Стали марок У10-У12 идут на изготовление режущего инструмента, не испытывающего при работе толчков, ударов и обладающего высокой твердостью (напильники, шаберы, острый хирургический инструмент и т.п.). Из стали этих марок иногда изготавливают также простые штампы холодного деформирования.

При нагреве углеродистой заэвтектоидной стали выше Аcm (линия ES) и медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, несмотря на самую высокую твердость цементитная сетка сильно охрупчивает металл и может вызвать выкрашивание поверхности, а также она ухудшает другие механические свойства. Цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита.

Для устранения грубой сетки вторичного цементита заэвтектоидные стали подвергают нормализации.

Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали до температуры выше Ас3, а заэвтектоидной - выше Аcm на 40-50°С с последующим охлаждением на воздухе.

При температуре нагрева заэвтектоидной стали выше Аcm на 40-50°С имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до Аrm начинают появляться первые зерна цементита. При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна цементита, а содержание углерода в остающемся аустените будет уменьшаться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. Ускоренное охлаждение на воздухе способствует тому, что цементит не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. При снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит.

Заэвтектоидная сталь после нормализации имеет структуру перлита и цементита.