Файл: Материаловедение. Кр. 1. Вариант 15.docx

Содержание

Задание 1	3
Задание 2	7
Задание 3	17
Задание 4	18
Задание 5	20
Задание 6	22
Задание 7	25
Задание 8	28
Задание 9	32
Задание 10	36
Задание 11	37
Список использованной литературы	44

ЗАДАНИЕ 1. Вычертите диаграмму состояния системы (рис. 1 - 10), согласно варианту, и ответьте на следующие вопросы:

1) к диаграмме какого типа относится данная диаграмма состояния системы. Дайте определения следующим понятиям: линия ликвидус, линия солидус, эвтектика;

2) опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки указанного элемента-Cd, согласно варианту (тип кристаллической решетки, коэффициент компактности, координационное число);

3) опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях и укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния;

4) опишите характер изменения свойств заданного сплава с помощью правила Курнакова.

Решение

1. Диаграмма состояния кадмий-свинец- это диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Система содержит три фазы - жидкий раствор, твердый раствор компонента Pb в компоненте Cd (назовем его α) и твердый раствор компонента Cd в компоненте Pb (назовем его β). Линия диаграммы KCD - линия ликвидуса, линия KECFD - линия солидуса.

---

Ликвидус - на фазовых диаграммах линия полного плавления твёрдых фаз. Схожее, но противоположное, понятие -солидус.

Температура ликвидуса TL - это максимальная температура насыщения первичной твёрдой фазой расплава данного валового состава. Выше этой температуры система полностью жидкая. Это температура, при которой в равновесных условиях выпадает первый кристалл.

Солидус — линия на фазовых диаграммах, на которой исчезают последние капли расплава, или температура, при которой плавится самый легкоплавкий компонент.

Иными словами, солидус — кривая, которая показывает для каждой температуры состав твёрдой фазы, которая может находиться в равновесии с жидкой.

Эвтектика — нонвариантная (при постоянном давлении) точка в системе из n компонентов, в которой находятся в равновесии n твердых фаз и жидкая фаза. Эвтектическая композиция представляет собой жидкий раствор, кристаллизующийся при наиболее низкой температуре для сплавов данной системы. Соответственно, температура плавления сплава эвтектического состава — также самая низкая, по сравнению со сплавами другого состава для данной системы компонентов.

2. Кадмий — элемент побочной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 48. Обозначается символом Cd (лат. Cadmium). Простое вещество кадмий (CAS-номер: 7440-43-9) при нормальных условиях — мягкий ковкий тягучий переходный металл серебристо-белого цвета. Устойчив в сухом воздухе, во влажном на его поверхности образуется плёнка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла.

Тип кристаллической решётки- гексагональная.Для гексагональной плотноупакованной решётки координационное число равно 12 (К12).

Плотность кристаллической решётки равна 74%.

3. Кристаллы α выделяются из жидкого сплава по линии ликвидуса КС, а кристаллы β - по линии CD. Затвердевание сплавов происходит по линии солидуса КЕ с образованием кристаллов α и по линии DF - с образованием кристаллов β. Одновременная кристаллизация α- и β-фаз с образованием механической смеси кристаллов этих фаз происходит на линии солидуса ECF.

Сплав состава точки С после затвердевания называется эвтектическим, поскольку он состоит только из одной эвтектики α+β. Составы сплавов, лежащих левее эвтектической точки С на линии ЕС после затвердевания, называются доэвтектическими сплавами и имеют структуру α+эвтектика (α+β). Составы сплавов, лежащих правее точки С на линии CF после затвердевания, называются заэвтектическими сплавами и имеют структуру β+эвтектика (α+β). Линия FM показывает растворимость компонента Cd в Pb, не изменяющуюся с понижением температуры. Предельная растворимость компонента Cd в Pb - точкой F. При кристаллизации сплавов, состав которых находится правее точки М при любой температуре в твердом состоянии все количество компонента Cd находится в твердом растворе и структура таких сплавов состоит из зерен α (или β). В сплавах состава линии ЕС, имеющих после затвердевания структуру α+эвтектика (α+β), из кристаллов α выделяются кристаллы β и после полного охлаждения структура будет α+эвтектика (α+β)+β_II.

---

4. Связь между свойствами сплавов и типом диаграмм состояния. Между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава, имеется определенная зависимость (правило Н.С. Курнакова). В механических смесях свойства (твердость Н, электропроводность Е и др.) изменяются линейно . По диаграммам состояния можно определять и технологические свойства сплавов, что облегчает выбор материала для изготовления изделий. Так, твердые растворы имеют низкие литейные свойства (плохую жидкотекучесть, склонны к образованию пористости и трещин). В свою очередь эвтектические сплавы имеют хорошую жидкотекучесть.

Диаграмма состав-свойства; А и В компоненты сплава, Н - твердость, Е – электропроводность.

ЗАДАНИЕ 2. Вычертите диаграмму состояния железо-углерод и опишите структурные превращения с заданным содержанием углерода-0,3%, согласно варианту, при охлаждении его от жидкого состояния до 20°С.

1. Полученный сплав является сталью или чугуном, ответ обоснуйте.

2. Опишите компоненты и фазы системы железо – углерод.

3. Приведите схему структуры полученного сплава при температуре 20°С, при заданном содержании углерода, и назовите его структурные составляющие.

4. Назовите легирующие элементы стали, их обозначения при маркировке и опишите, как они влияют на свойства стали.

5. Приведите классификацию и маркировку углеродистых сталей и чугунов.

Решение

1. Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 %(0,3%) углерода, называются сталями.

2. На диаграмме Fe—Fe₃C точка А (1539 °С) отвечает температуре плавления железа, а точка D (1500 °С) — температуре плавления цементита. Точки N (1392 °С) и G (910 °С) соответствуют полиморфному превращению α - γ.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния Fe—Fe₃C следующая: В — 0,51 % С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом при перитектической температуре 1499 °С; Н — 0,1 % С предельное содержание в δ-феррите при 1490 °С; J — 0,16 % С — в аустените при перитектической температуре 1490 °С; Е — 2,14 % С предельное содержание в аустените при эвтектической температуре 1147 °С; S — 0,8 % С в аустените при эвтектоидной температуре 727 °С; Р — 0,02 % С — предельное содержание в феррите при эвтектоидной температуре 727 °С.

---

Кристаллизация сплавов Fe—Fe₃C. Линии диаграммы состояния Fe—Fe₃C, определяющие процесс кристаллизации имеют следующие обозначения и физический смысл.

АВ (линия ликвидус) показывает температуру начала кристаллизации δ-феррита из жидкого сплава; CD (линия ликвидус) соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита из жидкого сплава; АН (линия солидус) является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов δ-феррита; ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB — линия перитектического нонвариантного (С = 0) равновесия (1490 °С); по достижении температуры, соответствующей линии HJB, протекает перитектическая реакция (жидкость состава В взаимодействует с кристаллами δ-феррита состава Н с образованием аустенита состава J; линия ECF (линия солидус) соответствует кристаллизации эвтектики — ледебурит.

Сплавы, содержащие до 2,14 % С, называют сталью, а более 2,14 % С, чугуном. Принятое разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей — ледебурита и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т. е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.

По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами и, в частности, более низкими температурами плавления, имеют меньшую усадку. Это объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой эвтектики (ледебурита).

Фазовые и структурные изменения в сплавах Fe—Fe₃C после затвердевания связаны с полиморфизмом железа и изменением растворимости углерода в аустените и феррите с понижением температуры.

Превращения, протекающие в твердом состоянии, описываются следующими линиями. Линия NH — верхняя граница области сосуществования двух фаз — б-феррита и аустенита. При охлаждении эта линия соответствует температурам начала полиморфного превращения б-феррита в аустенит. Линия NJ — нижняя граница области сосуществования б-феррита н аустенита, пои охлаждении соответствует температурам окончания превращения 6-феррита в аустенит. Верхняя граница области сосуществования феррита (в парамагнитном состоянии) и аустенита соответствует линии GO т е. температурам начала γ - α-превращения с образованием парамагнитного феррита. Линия 05 — верхняя граница области сосуществования феррита (в ферромагнитном состоянии) и аустенита; при охлаждении эта линия соответствует температурам γ - α-превращения с образованием ферромагнитного феррита. Температуры, соответствующие линии GOS в условиях равновесия, принято обозначать А3.

---

В сталях, содержащих до 0,8 % С, полиморфное у +± а-превращение протекает в интервале температур и сопровождается перераспределением углерода между ферритом и аустенитом. Линия предельной растворимости углерода в аустените SE при охлаждении соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита, а при нагреве — концу растворения вторичного цементита в аустените. Принято критические точки, соответствующие линии SE, обозначать Аст. Линия QP — при охлаждении отвечает температурам окончания превращения аустенита в феррит, а при нагреве — началу превращения феррита в аустенит.

Температура точки Кюри — линия МО; при охлаждении парамагнитный феррит превращается в ферромагнитный, а при нагреве — наоборот. Температуру, соответствующую линии МО, обозначают А2. Линия эвтектоидного превращения PSK при охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8 % С) с образованием эвтектоида — ферритоцементитной структуры, получившей название перлит.

Критические температурные точки, соответствующие линии PSK при охлаждении, обозначают Аr1, а при нагреве Ас1.

Стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С, называют доэвтектоидными. Как указывалось выше, эти стали после окончания кристаллизации состоят из аустенита, который не претерпевает изменений при охлаждении вплоть до температур, соответствующих линии G0S

Сталь, содержащую 0,8 % С, называют эвтектоидной. В этой стали по достижении температуры 727 °С (точка S) весь аустенит превращается в перлит.

Стали, содержащие углерод от 0,8 до 2,14 %, называют заэвтектоидными. Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит.

3) Отметим на горизонтальной оси заданное процентное содержание углерода (0,3%) и проведём вертикальную линию. Полученный сплав при температуре 1539 начинает процесс первичной кристаллизации –из жидкого раствора начинает кристаллизоваться феррит (точка пересечения с линией ликвидус ABCD) до температуры 1500 (точка пересечения с линией JВ).При дальнейшем снижении температуры до 1490 (точка пересечения с линией JE) сплав представляет собой феррит и аустенит. При дальнейшем охлаждении до 850сплав представляет собой аустенит. и цементита .При охлаждении до 727плав аустенита и феррита, ниже 727плав феррита и перлита.

---