Металловедение и термическая обработка металлов

Содержание:

1)Контрольная работа №1 вариант-22                                               

    1.1.Существенные характеристики кристаллической структуры  

    1.2. Энергетические условия процесса кристаллизации. Почему превращения происходят при строго       определенных температурах?                 

    1.3. Какую роль играют несовершенства структуры кристаллов. Какую роль играют дислокации  в вопросах прочности и пластичности  материала.       

    1.4. Характеристика твердых растворов замещения.

2) Контрольная работа №2         вариант-22                                       

    2.1.Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, спишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 00 до 16000 /с применением правила фаз / для сплава, содержащего  0,3%С.

2.2. Отжиг. Цель и назначение диффузионного, изотермического  отжига.

2.3. Назовите режим термической обработки  (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) фрез из стали У12. Опишите сущность проходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термообработки.

       2.4. Опишите в каких отраслях промышленности особенно перспективно применение титана  и сплава титана.

3) Список используемой литературы.

Контрольная работа №1

1.1. Существенные характеристики кристаллической структуры

 Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях:

твердом, жидком и газообразном, переходы между которыми (так называемые фазовые переходы) сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии

энтропии, плот­ности и других физических свойств. Четвертым агрегатным состоянием часто называют плазму — сильно ионизированный газ (т. е. газ за­ряженных частиц — ионов, электронов), образующийся при вы­соких температурах (свыше 105 К). Однако это утверждение неточно, так как между плазмой и газом нет фазового перехода. Тем не менее, плазма резко отличается от газа прежде всего сильным электриче­ским взаимодействием ионов и электронов, проявляющимся на боль­ших расстояниях

Реализация того или иного агрегатного состояния вещества за­висит главным образом от температуры и давления, при которых оно находится

В газах межмолекулярные расстояния большие, молекулы практически не взаимодействуют друг с другом и, свободно двигаясь, заполняют весь возможный объем. Таким образом, для газа характерно отсут­ствие собственного объема и формы.

Жидкости и твердые тела относят к конденсированному состоя­нию вещества. В отличие от газообразного состояния у вещества в конденсированном состоянии атомы расположены ближе друг к другу, что приводит к их более сильному взаимодействию и, как следствие этого, жидкости и твердые тела имеют постоянный собст­венный объем. Для теплового движения атомов в жидкости харак­терны малые колебания атомов вокруг равновесных положений и ча­стые перескоки из одного равновесного положения в другое. Это  приводит к наличию в жидкости только так называемого ближнего порядка в расположении атомов, т. е. некоторой закономерности в расположении соседних атомов на расстояниях, сравнимых с меж­атомными. Для жидкости в отличие от твердого тела характерно та­кое свойство, как текучесть.

   Атомы в твердом теле, для которого в отличие от жидкого тела характерна стабильная, постоянная собственная форма, совершают только малые колебания около своих равновесных положений. Это приводит к правильному чередованию атомов на одинаковых расстояниях для сколь угодно далеко удаленных атомов, т. е существования

так называемого дальнего порядка в расположении атомов. Такое правильное, регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кри­сталлическую решетку, называют твердыми телами. Кроме того, существуют аморфные тела (стекло, воск и т. д.). В аморфных телах  атомы совершают малые колебания вокруг хаотически расположенных равновесных положений, т. е. не образуют кристаллическую решетку. Аморфное тело находится с термодинамической точки зре­ния в неустойчивом (так называемом метастабильном) состоянии и его следует рассматривать как сильно загустевшую жидкость, ко­торая с течением времени должна закристаллизоваться, т. е. атомы в твердом теле должны образовать кристаллическую решетку и пре­вратиться   в   истинно   твердое тело.

Аморфное состояние образуется при быстром- (106 О  С/с и более) охлаждении расплава. Например, при охлаждении ряда сплавов из жидкого состояния образуются так называемые металлические стекла, обладающие специфическими физико-механическими свойствами.

Атомы в кристаллическом  твердом теле располагаются в пространстве закономерно, периодически повторяясь в трех измерениях через строго определенные расстояния, т. е. образуют кристаллическую решетку. Кристаллическую решетку можно «построить», выбрав для этого определенный «строи тельный блок» (аналогично постройке стены из кирпичей) и многократно смещая этот блок по трем, непараллельным направлениям. Такая «строительная» единица кристаллической решетки имеет форму параллелепипеда и называется элементарной ячейкой. Все элемен­тарные ячейки, составляющие кристаллическую решетку, имеют одинаковую форму и объемы. Атомы могут располагаться как в вер­шинах элементарной ячейки, так и в других ее точках (в узлах кри­сталлической решетки). В первом случае элементарные ячейки назы­ваются простыми (примитивными), во втором — сложными. Если форма элементарной ячейки определена и известно расположение всех атомов внутри нее, то имеется полное геометрическое описание кристалла, т. е. известна его атомно-кристаллическая структура.

1.2. Энергетические условия процесса кристаллизации. Почему превращения происходят при строго определенных температурах?

Любое вещество, как известно, может находиться в трех агрегатных состояниях:  газообразном, жидком и твердом. В чистых металлах при определенных температурах происходит изменение агрегатного стояния твердое состояние сменяется жидким при температуре плавления, жидкое состояние переходит в газообразное при темпе­ратуре кипения. Температуры перехода зависят от давления но при постоянном давлении они вполне определенны.

 При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией.   Чем объясняется существование при одних температурах жидкого, а при других температурах твердого состояния и почему превращение происходит при строго определенных температурах?

В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически бо­лее устойчивым, обладает меньшим за­пасом энергии.

Поясним примером. Тяжелый шарик из положения 1 (рис. 1) стремится попасть в более устойчивое положение 2, так как по­тенциальная энергия в положении 2 меньше, чем в положении 1.

Энергетическое состояние   системы, имеющей огромное число охваченных теп­ловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется осо­бой термодинамической функцией F, называемой свободной энер­гией  (свободная энергия F = U — ТS, где U — внутренняя энергия системы; Т— абсолютная температура; S—энтропия). Можно сказать, что чем больше свободная энергия системы, тем система менее устойчива, и если имеется возможность, то си­стема переходит в состояние, где свободная энергия меньше («подобно» шарику, который скатывается из положения 1 в положение 2, если на пути нет препятствия).

 С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и кристаллического состояний. Схематически характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с тем­пературой показан на рис. 2

 Выше температуры Тs, меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже Тs — вещество в твердом состоянии. Следовательно, выше Ts, вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Тs, — в твердом, кристаллическом.

Очевидно, что при температуре, равной Ts, свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура Ts и есть равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Однако при Ts не может происходить процесс кристаллизации (плавление), так как при данной температуре Fж  = Fкр и процесс

Рис. 2. Изменение свободной энергии жидкого (1) и кристаллического (2) состояния в зависимости  от температуры

Рис. 27. Кривые охлаждения при кристаллизации

кристаллизации (плавления) не может идти, так как при равенстве обеих фаз это не будет сопровождаться уменьшением свободной

энергии.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Из кривых, приведенных на рис. 2 видно, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаж­дена ниже точки Ts. Температура, при которой практически начи­нается кристаллизация, может быть названа фактической темпера­турой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристал­лизации называется переохлаждением.

Указанные причины обусловливают и то, что обратное превраще­ние из кристаллического состояния в жидкое может произойти только выше температуры Ts; это явление называется перенагрева­нием.

Величиной или степенью переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристалличе­ское можно изобразить кривыми в координатах время — темпера­тура (рис. 3).

Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плав­ным понижением температуры и может быть названо простым охлаж­дением, так как при этом нет качественного изменения состояния.

При достижении температуры кристаллизации на кривой тем­пература — время появляется горизонтальная площадка (кривая 1, рис.3), так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации, т. е. после полного перехода в твердое состояние, температура снова начинает снижаться, и твердое кристаллическое вещество охлаждается. Теоретически процесс кристаллизации  изображается кривой 1. Кривая 2 показывает реальный процесс | кристаллизации. Жидкость непрерывно охлаждается до температуры переохлаждения Тп, лежащей ниже теоретической температуры кристаллизации Ts. При охлаждении ниже температуры Ts со­здаются энергетические условия, необходимые для протекания про­цесса кристаллизации.

У некоторых металлов из-за большого переохлаждения скрытая теплота плавления выделяется в первый момент кристаллизации настолько бурно, что температура скачкообразно повышается, при­ближается к теоретической (кривая 3, рис.3).

Чем больше скорость охлаждения, тем больше величина переохлаждения. Для того, чтобы полностью переохладить металл в жидком состоянии требуются большие скорости охлаждения (миллионы и даже миллиарды градусов в секунду), охлаждение жидкого металла до ком­натной температуры следует проводить так, чтобы получить перео­хлажденный жидкий металл (т. е. металл, не имеющий кристалли­ческого строения) за ничтожную долю секунды. Такой, металл назы­вается аморфным или металлическим стеклом, который начинает применяться на практике.

1.3. Какую роль играют несовершенства структуры кристаллов. Какую роль играют дислокации  в вопросах прочности и пластичности  материала.

Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают  строгой перио­дичностью в расположении атомов т. е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.

Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).

  Точечными дефектами называются такие нарушения периодично­сти кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома.  К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в на­иболее свободные места решет­ки (поры или междоузлия) ана­логично межузельным атомам (примеси, внедрения)

Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные раз­меры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации — линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации. Кра­евая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстра­плоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части крис­талла относительно другой.

 В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации. Дислокации не могут обрываться внутри кри­сталла — они должны быть либо замкнутыми, либо выходить на поверхность кри­сталла. Плотность дислокации, т. е. число линий дислокации, пересекающих внутри металла площадку в 1 см2, составляет 103—104 в наиболее совершенных монокристал­лах до 1012 в сильно деформированных металлах Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально рас­стоянию от них. Наличие упругих напряжений вокруг дислокации приводит к их взаимодействию, которое зависит от типа дислокации и их векторов Бюргерса. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что опреде­ляет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислока­ции в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь меж­атомных связей только у линии дислокации, поэтому пластическая де­формация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения.    Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расgлава. Основным механизмом размно­жения дислокации при пластической деформации являются так называемые источ­ники  Франка-Рида. Это отрезки дислокации, закрепленные на концах, которые под действием напряжений могут прогибатся ,испуская при этом дислокации,и вновь востанавливатся.

 Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокации друг с другом, с атомами при­месей и частицами другой фазы. Дислокации влияют не только на прочностные и пластические свойства  металлов, но также и на их физические свойства (увеличивают электросопротивление, скорость диффузии и т.д.).

Процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокации будет в металле. В металле, в котором нет дислокации, сдвиг возможен только за счет одновременного сме­щения всей части кристалла. В случае, если под действием напря­жений дислокации не зарождаются, то прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической.

Существует и другой способ упрочнения металлов. Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дисло­кации только вначале. Достигнув минимального значения при не­которой плотности дислокации, реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение реальной прочности с возра­станием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возни­кают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислока­ции в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, и реальная

прочность металла повысится.

     Давно известны способы упрочне­ния, ведущие к увеличению полезной плотности дислокации; это — механи­ческий наклеп, измельчение зерна и блоков мозаики, термическая обработка и т. д. Кроме того, известные методы легирования (т. е. внедрение в решетку чужеродных атомов), созда­ющие всякого рода несовершенства и искажения, кристаллической решетки, также являются методами создания - препятствий для свободного перемеще­ния дислокации (блокирования дислокаций).Сюда же относятся способы образования структур с так называемыми упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное твердение и др. Однако при всех этих способах упрочнения прочность не достигает теоретического значения. Следовательно, в той или иной степени наличие дислокации в реальном металлическом кристалле | является причиной более низкой его прочности по сравнению с теоретической, и одновременно придающей способность пластически деформироваться. Можно ли в связи с этим рассматривать способность металла к пластическому деформированию как его недостаток?

Опыт показывает, что способность реального металла пластиче­ски деформироваться является его важнейшим и полезнейшим свой­ством. Это свойство используют при различных технологических процессах — при протяжке проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т. д. Большое значение оно имеет и для обе­спечения конструктивной прочности или надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий из металла. Опыт по­казывает. что если металл находится в хрупком состоянии, т.