Необратимость пластической деформации металлов

Необратимость пластической деформации металлов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Казанский национальный исследовательский технический университет  им. А.Н. Туполева - КАИ»

Набережночелнинский филиал

Кафедра КТМП

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Материаловедение»

Необратимость пластической деформации металлов

Вариант 1

Выполнил: студент гр.23272

Абдуллин Р.М.

Проверил: к.ф.-м.н.,

доцент Акст Е.Р.

Набережные Челны 2013

Содержание

Введение

Исходное задание

Ответ №1

Ответ №2

Список используемой литературы

Введение

Материаловедение - это наука о различных материалах, широко используемых в настоящее время для производства разнообразных деталей, механизмов, приборов и конструкций.

Материаловедение своей основной задачей считает установление взаимосвязи между свойствами изучаемых материалов их химическим составом и структурой. Получаемые материаловедением знания составляют основу для научного прогнозирования и управления свойствами материалов. Они помогают совершенствовать уже известные материалы и разрабатывать принципиально новые, уникальные материалы. За счёт применения этих, более совершенных материалов могут быть повышены точность, надёжность и долговечность выпускаемых приборов, механизмов и конструкций, а также созданы принципиально новые изделия и устройства, отвечающие современным высоким требованиям.

углерод сплав железо деформация металл

Исходное задание Вариант 1

1. Опишите механизм и объясните причину необратимости пластической деформации металлов. Укажите роль дислокаций в процессе пластического деформирования металлов и сплавов.

2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Укажите на диаграмме и подробно опишите все структурные составляющие сплавов железа с углеродом. Для сплава, содержащего 0,1% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Какова структура указанного сплава при комнатной температуре?

3. Опишите процессы, происходящие при отпуске закалённых углеродистых сталей. Какую структуру будет иметь сталь после низкого, среднего и высокого отпуска?

Ответы на вопросы

1. При пластической деформации происходит сдвиг одной части материала относительно другой части. Сдвиг осуществляется по атомным плоскостям, которые называют плоскостями скольжения.

После снятия внешней нагрузки, сдвинутые атомные плоскости в исходное положение не возвращаются, поэтому пластическая деформация является необратимой. Обычно в роли плоскостей скольжения выступают наиболее плотноупакованные атомные плоскости слабо связанные друг с другом межатомными силами.

В первую очередь сдвиг происходит по плоскостям скольжения, расположенным под углом 45 градусов к внешней нагрузке, так как в этих плоскостях создаётся наибольшее сдвиговое напряжение _T :

В следующий момент в движение вовлекаются другие плоскости, расположенные под углом больше и меньше 45 градусов (46, 44; - 47, 43 и т.д.)Теоретические расчеты показывают, что для сдвига одной части металла относительно другой части требуются напряжения, в сотни раз превосходящие те, которое наблюдаются в действительности. Причина столь сильного отличия теоретической прочности металлов от их реальной прочности заключается в том, что атомные слои при пластической деформации смещаются не сразу целиком, а поэтапно, т.е. атомными рядами. Для реализации такого механизма смещения необходимо отсутствие хотя бы одного атомного ряда в плоскости скольжения. В реальных металлах подобные дефекты структуры всегда присутствуют и в большом количестве, это дислокации. Благодаря дислокациям сдвиг атомных слоёв происходит при гораздо меньших напряжениях.

Схема дислокационного механизма сдвига атомных слоёв следующая:

Как видно из рисунка смещение атомной плоскости можно рассматривать как движение дислокации в обратном направлении. При выходе дислокации на поверхность кристалла образуется своеобразная «ступенька» и таким образом реализуется сдвиг одной части кристалла относительно другой его части.

Чем легче перемещаются дислокации, тем меньше напряжения, при которых осуществляется сдвиг атомных слоёв, и следовательно пластическая деформация. Прочность бездефектных кристаллов, так называемых «усов», близка к теоретической.

Возрастание прочности металлов с повышением плотности дефектов обусловлено ограничением подвижности дислокаций из-за резкого увеличения интенсивности их взаимодействия.

Учитывая вышесказанное можно утверждать, что металлы и сплавы своей высокой пластичностью обязаны наличию в них достаточно большого количества подвижных дислокаций. Под воздействием холодной пластической деформации плотность дислокаций в металлах возрастает до 10¹¹¸10¹² см ^-2. При такой высокой плотности дислокации начинают интенсивно взаимодействовать и мешать друг другу, что приводит к ограничению их подвижности. В результате металл становится менее пластичным и более прочным. Такое явление называют наклёпом.

2. 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. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой

ЖР_4,3Л[А_2,14+Ц_6,67].

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 γ-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. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой

А_0,8П[Ф_0,03+Ц_6,67].

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 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные - перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь 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 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС 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; 1 - 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 0,1%С, называется доэвтектической сталью. Его структура при комнатной температуре - феррит + перлит.

Рисунок: диаграмма железо-цементит и  кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,1% углерода

3. Образующийся при закалке стали мартенсит, представляет собой неустойчивую структуру, характеризующуюся высокой твёрдостью, хрупкостью и высоким уровнем внутренних напряжений. По этой причине закалённую сталь обязательно нужно подвергать отпуску. Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закалённой стали до температур, не превышающих точку Аc1 (т.е. не выше линии PSK), выдержке и последующем охлаждении чаще всего на воздухе. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникшие при закалке. Окончательные свойства стали в большей степени зависят от температуры отпуска. Различают три вида отпуска стали в зависимости от температуры нагрева. Низкий (низкотемпературный отпуск) проводят при температурах не выше 250...300°С. При таких температурах происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц е - карбида железа. Образующаяся структура, состоящая из частичного обезуглероженного мартенсита и е-карбидов, называется отпущенным мартенситом. Выход некоторого количества углерода из решетки мартенсита способствует уменьшению её искажения и снижению внутренних напряжений. При таком отпуске несколько повышается прочность и вязкость без заметного снижения твёрдости. В целом изменение свойств при низком отпуске незначительно. Так закалённая сталь с содержанием углерода 0,5... 1,3 % после низкого отпуска сохраняет твёрдость в пределах 58...63 HRC, а следовательно, обладает высокой износостойкостью. Однако такая сталь не выдерживает значительных динамических нагрузок. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, работающий без значительного разогрева рабочей части, а такие детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию. Цель такого отпуска - некоторое снижение внутренних напряжений. Средний (средне-температурный) отпуск выполняют при температурах 350...500°С и применяют преимущественно для рессор, пружин, некоторых видов штампов. При таких температурах происходит дальнейшее обезуглероживание мартенсита, приводящее к его превращению в обычный а-раствор,т.е. в феррит. Одновременно происходит карбидное превращение. В результате образуется феррито-цементитная смесь, называемая троститом отпуска. Наблюдается снижение твёрдости до величины 40...50 HRC, а также снижение внутренних напряжений. Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости и предел выносливости, что позволяет применять его для различных упругих элементов. Высокий (высокотемпературный) отпуск проводят при 500...600°С. Структурные изменения при таких температурах заключаются в укрупнении (коагуляции) частиц цементита. В результате этого образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска. Также, как и тростит отпуска, эта структура характеризуется зернистым строением в отличии от пластинчатых структур тростита и сорбита закалки. Твёрдость стали после высокого отпуска снижается до 25,,,35 HRC, Однако уровень прочности при этом ещё достаточно высок. В то же время обеспечивается повышенная пластичность и особенно ударная вязкость, практически полностью снимаются внутренние напряжения, возникшие при закалке. Таким образом, высокий отпуск на сорбит обеспечивает наилучший комплекс механических свойств, позволяющий применять его для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Такой же отпуск рекомендуется для деталей машин из легированных сталей, работающих при повышенных температурах. Термическую обработку, состоящую из закалки на мартенсит и последующего высокого отпуска на сорбит, называют термическим улучшением. Вообще термическому улучшению подвергают детали из среднеуглеродистых (0,3...0,5%С) конструкционных сталей, к которым предъявляют высокие требования по пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твёрдости невысока. Скорость охлаждения после отпуска оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Так охлаждение на воздухе даёт напряжения в 7 раз меньше, а охлаждение в масле в 2,5 раза меньше по сравнению с охлаждением в воде. По этой причине изделия сложной формы во избежание их деформации после отпуска следует охлаждать медленно (на воздухе), а детали из некоторых легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, рекомендуется охлаждать в масле (иногда даже в воде).

Легирующие элементы, входящие в состав легированных сталей, особенно такие, как Мо5 W, Cr, Ti, V и Si, сильно тормозят диффузионные процессы, происходящие при отпуске закалённой стали. Поэтому после отпуска при одинаковой температуре легированная сталь сохраняет более высокую твёрдость и прочность. Это делает легированные стали более теплостойкими, способными работать при повышенных температурах.

Список используемой литературы

1. Акст Е. Р. Материаловедение. Конспект лекций для студентов заочной формы обучения. Наб. Челны 2013.- 46 с.

. Материаловедение и технологические процессы в машиностроении: учеб. пособие для студ. по напр. "Тех-нол., оборуд. и автоматизация машиностроит. пр-в" / С.И.Богодухов, А.Д.Проскурин [и др.]; под ред. С.И. Богодухова. - Старый Оскол: ТНТ, 2010. - 560 с.

.Колесник П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте: учебник для студ. вузов. - М.: Академия, 2005. - 320 с.

. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов машиностроительных спец. ВУЗов. - М.: Высшая школа, 2007. - 446с.5.Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986.

.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990.