Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Типы кристалических включений

СОДЕРЖАНИЕ

Линейные дефекты кристаллической решетки металла. 3

Схема стального слитка. 5

Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов 7

Влияние отжига на наклеп. 9

Работа по диаграмме состояния системы. 10

Твердые растворы вычитания. 15

Работа по диаграмме состояния системы железо-цементит 16

Список использованных источников 21

ВОПРОС 1

Линейные дефекты кристаллической решетки металла

Кристаллическая решетка, в которой отсутствуют нарушения сплошности и все узлы заполнены однородными атомами называется идеальной кристаллической решеткой металла.

В решетке реального металла могут находиться различные дефекты. Все дефекты кристаллической решетки принято делить на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Линейные дефекты имеют длину, значительно превышающую их поперечные размеры. К ним относятся дислокации, т. е. дефекты, образующиеся в решетке в результате смещений кристаллографических плоскостей.

Дислокации бывают двух видов.

Рис. 1.Краевая дислокация.

Наиболее характерной является краевая дислокация Она образуется в результате возникновения в решетке так называемой полуплоскости или экстраплоскости. Нижний ряд экстраплоскости собственно и принято называть дислокацией.

Другим типом дислокации является винтовая дислокация, которая представляет собой некоторую условную ось внутри кристалла, вокруг которой закручены атомные плоскости .

Рис.2.Винтовая дислокация.

В винтовой дислокации, так же как в краевой, существенные искажения кристаллической решетки наблюдаются только вблизи оси, поэтому такой дефект может быть отнесен к линейным.

Дислокации обладают высокой подвижностью, поэтому существенно уменьшают прочность металла, так как облегчают образование сдвигов в зернах-кристаллитах под действием приложенных напряжений.

Дислокационный механизм сдвиговой пластической деформации внутри кристаллов может привести к разрушению изделия. Таким образом, дислокации непосредственно влияют на прочностные характеристики металла.

Для оценки этого влияния используется плотность дислокаций, под которой принято понимать отношение суммарной длины дислокаций к объему содержащего их металла. Плотности дислокаций измеряется в см^-2 или м^-2.

При увеличении количества дислокаций прочность резко снижается, так как на несколько порядков уменьшаются усилия, необходимые для осуществления сдвигов в зернах металла при его деформировании и разрушении.

ВОПРОС 2

Схема стального слитка.

Рис. 3. Схема стального слитка.

Слиток состоит из трех зон:

1-мелкокристаллическая корковая зона;

2-зона столбчатых кристаллов;

3-внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 4). Растут дендриты с направлением, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к теплоотводу.

Рис.4. Схема дендрита по Чернову Д.К.

Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.

Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка)

ВОПРОС 3

Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов при холодном деформировании

При пластической деформации металлов и сплавов структура их значительно изменяется. Если исходный металл имеет зерна различной формы и ориентировки, то при деформации наблюдается переориентировки отдельных зерен, затем они вытягиваются в направлении деформирования, образуя волокнистую структуру. Смещения и повороты одних зерен относительно других приводят к межкристаллитной деформации и формированию металлографической текстуры. Образование текстуры сопровождается появлением анизотропии механических и физических свойств металла.

Наклепанный металл запасает 5 - 10 % энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики и понижаются пластичность и ударная вязкость. Металлы интенсивно наклёпываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформаций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным; при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление удастся повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести в 3 - 7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклёпываются аустенитная сталь, никель, а алюминий упрочняется незначительно).

Из-за неоднородности деформации в объеме металла различны изменения плотности, что служит причиной появления остаточных напряжений как растягивающих, так и сжимающих.

С увеличением деформации повышается удельное электросопротивление (максимально на 6 %), а у ферромагнетиков, к которым относится большинство сталей, понижаются магнитная проницаемость и остаточная индукция, возрастает коэрцитивная сила.

Наклеп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в размещении атомов при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые при эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформирование детали с помощью обдувки дробью или обработки специальным инструментом. Наклепанный слой стремится расшириться, встречая сопротивление со стороны ненаклепанных участков детали. В результате в этом слое возникнут напряжения сжатия, а под ним, па большем расстоянии от поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины и тем самым увеличивают долговечность деталей.

ВОПРОС 4

Плоский алюминевый образец подвергся пластической холодной деформации. Холодная деформация — обработка металла давлением, осуществляемая при комнатной или незначительно отличающейся от неё температуре ,характеризуется изменением формы отдельно взятого зерна, зерна вытягиваются в направлении течения металла, образуя волокнистую структуру. При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-механических свойств металла, по мере увеличения степени деформации возрастают характеристики прочности, а характеристики пластичности снижаются.

После деформации образец подвергли рекрестализационному отжигу. Рекристаллизационный отжиг заключается в нагреве деформированного сплава до температур выше температуры окончания первичной рекристаллизации, применяется для снятия наклепа и получения мелкого зерна. Это происходит потому что, при температуре первичной рекрестализации в деформированном металле образуются и растут зародыши новых зерен с неискаженной решеткой .Зародыши новых зерен возникают в участках с повышенной плотностью ,где сосредоточены наибольшие искажения решетки, т.е. у границ деформированных зерен или плоскостей сдвига внутри зерна ,затем они растут за счет перехода к ним атомов от деформированных участков.

Если исследовать структуру образца после отжига ,то получится следующие :чем ближе расстояние к месту изгиба тем мельче зерно. Величина рекристаллизованного зерна зависит от температуры отжига, его продолжительности, степени предшествующей деформации, а также от химического состава, первичного размера зерна и наличия нерастворимых примесей.

Рис.5.Диаграммы зависимости роста рекрестализовонного зерна от температуры ,времени, и степени деформации.

ВОПРОС 5

Описание фазных превращений в сплаве состава 65% В - 35% А при медленном охлаждении изображенном на рисунке 6.

Рис.6 Диаграмма состояния системы .

При медленном охлаждении сплав 65% В и 35% А проходит следующие превращения .Ниже температуры соответствующей точке О₁ на линии ликвидуса АОЕ происходит выделение δ- твердого раствора из жидкой фазы. Эта реакция будет продолжаться вплоть до температуры t₂.

Линия ОД является линией перитектического превращения. На этой линии, а точнее несколько ниже нее жидкая фаза состава точки О взаимодействует с δ- твердым раствором состава точки Д в результате чего образуется γ- твердый раствор состава точки В.

L_О+δ_Д=γ_В

Полная кристаллизация сплава пройдет при температуре ниже точки О₅, то есть вся жидкая фаза перейдет в γ- твердый раствор.

При последующем охлаждении от точки О₅ до точки О₇ в сплаве 65% В и 35% А не происходит никаких изменений. Сплав остается однофазным. В точке О₇ на линии СN, γ-раствор становится предельно насыщенным компонентом А и потому, начиная с этой температуры, при дальнейшем охлаждении из γ-раствора должен выделиться избыток компонента А.Фактически при охлаждении сплава ниже точки О₇ из γ-раствора выделяется β-раствор с концентрацией компонентов, определяемых линией FG. Таким образом ниже точки О₇ сплав становится двухфазным.

γ=γ_N+β_G

При понижении температуры в интервале от О₇ до О₉ будет происходить изменение химического состава твердых растворов по соответствующим линиям диаграммы- FG-для β и СE для γ в связи с уменьшением растворимости компонентов. При температуре в точке О₉ сплав будет испытывать распад β-раствора с образованием смеси α и γ по реакции.

γ_N+β_G=α_Р+ γ_N

Все реагирующие фазы являются твердыми. Такое превращение называется эвтектоидным, суть его - из одной твердой фазы получаются две другие твердые.

Окончательно охлажденный сплав будет состоять из смеси двух твердых растворов : α_Р и γ_N в количествах, определяемых правилом рычага.

А) Определение химического состава фаз при температурах t₁– t₈.

t₁- фаза одна жидкая, состав 65% В и 35% А.

t₂- фазы две:

- жидкая - 57% В и 43% А

- δ- твердый раствор - 94% В и 6% А

t₃ – фазы три:

- жидкая- 52% В и 48% А

- δ- твердый раствор - 92% В и 8% А

- γ- твердый раствор - 80% В и 20% А

t₄ – две фазы:

- жидкая- 45% В и 55% А

- γ- твердый раствор - 72% В и 28% А

t₅ – одна фаза γ- твердый раствор - 65% В и 35% А

t₆ – две фазы:

- β-твердый раствор - 19% В и 81% А

- γ- твердый раствор - 73% В и 27% А

t₇ – три фазы:

- α-твердый раствор - 13% В и 87% А

- β-твердый раствор - 18% В и 82% А

- γ -твердый раствор - 75% В и 25% А

t₈ – две фазы:

- α-твердый раствор - 4% В и 96% А

- γ -твердый раствор - 79% В и 21% А.

Б)Определение числа степеней свободы при перитектическом превращении в интервале температур t₇– 0.

C=k-f+1,

- где k=2, а f – количество фаз.

При t₇, С=2-3+1=0 степеней свободы

ниже t₇, С=2-2+1=1 степень свободы

В) Определение количества каждой фазы в процентах при температурах t₂, t₄.

Рассчитывается по правилу рычага (отрезков).

- при t₂ – Q_L=(О₂В₂/А₂ В₂)*100%=(29/37)*100%=78%,

- Q_δ=(А₂О₂/А₂ В₂)*100%=(8/37)*100%=22%.

- при t₄ – Q_L=(О₄В₄/А₄ В₄)*100%=(7/27)*100%=26%.

- Qγ=(А₄О₄/А₄ В₄)*100%=(20/27)*100%=74%,

ВОПРОС 6

Если твердый раствор образуется на основе соединения, то возможен еще один тип твердых растворов — растворы вычитания. В твердых растворах вычитания один из элементов, образующих соединение, присутствует в количестве, превышающем формульное (как бы растворен в соединении стехиометрического состава), но при этом занимает в решетке соединения присущие ему позиции, а соответствующая часть позиций другого элемента остается незанятой (вакантной). Например, в системе Ni—Sb имеется соединение NiSb. При составе сплава 49% (ат) Ni и 51%(ат) Sb решетка соединения сохраняется, но позиции, соответствующие недостающему количеству никеля, окажутся вакантными — как бы вычтенными. В случае избытка никеля избыточные атомы занимают позиции атомов сурьмы, образуя раствор замещения. Растворы вычитания часто встречаются в полупроводниковых соединениях.

В некоторых сплавах (например, Cu—Au, Fe—Si, Ni—Mn), образующих при высоких температурах растворы замещения, при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные положения в кристаллической решетке. Такие растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых растворов.

Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной решеткой. образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.

К химическому соединению добавляют, один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми.

ВОПРОС 7

Сплав с 0,6% С при комнотной температуре после медленного охлождения имеет структуру перлит с фазовыми составляющими феррит + цементит ,и небольшим колличеством цементита (третичного) который выделяется из феррита за счет уменьшения растворимости углерода в нем(феррите) с понижением температуры полинии PQ.

Рис.7 Диаграмма состояния системы железо-углерод.

ВОПРОС 8

При комнотной температуре сплав с 0,6% С имеет фазы феррит + цементит.При медленном нагреве до температуры 727°С в этой механической смеси не происходит практически не каких изменений ,за исключением поглащения ферритом цементита третичного,это происходит за счет увеличения растворимости углерода в феррите с повышением температуры.

При температуре 727°С начинает происходит эвтектоидное превращение механической смеси в аустенит с остаточным ферритом. При дальнейшем нагреве происходит процесс полиморфного превращения феррита в аустенит. Состав феррита будет изменятся по линии PG,а состав аустенита по линии SG.Это будет продолжатся пока остаточный феррит состава точки G при температуре 911°С полностью не перейдет в аустенит.

При последующем нагреве по линии JE (солидус)из аустенита будет выделятся жидкая фаза . Это будет продолжатся пока весь аустенит не расплавится в жидкую фазу ,это произойдет выше линии BC(ликвидус).

А) Определение химического состава фаз.

T₁(600°C)-две фазы

-феррит,содержание углерода 0,01%

-цементит,содержание углерода 6,67%

T₂(727°C)-три фазы

-феррит,содержание углерода0,02%

-цементит,содержание углерода6,67%

-аустенит,содержание углерода 0,8%

T₃(740°C)-две фазы

-феррит,содержание углерода 0,019%

-аустенит,содержание углерода 0,68%

Т₄(1000°C)-одна фаза

-аустенит,содержание углерода 1,5%

Т₅(1450°C)-две фазы

-аустенит ,содержание углерода 0,4%

- жидкая фаза,содержание углерода1,32

Т₆(1550°C)-одна фаза

-жидкая фаза,содержание углерода

Б)При эвтектоидной реакции по правилу фаз число степеней свободы системы равно нулю:

С=К-Ф+1+2-3+1=0,

Так как в равновесии находятся одновременно три фазы :аустенит состава точки S,феррит состава точки P и цементита состава точки K.

в)Количество каждой фазы в процентахпри температуре 740°С

Рис.8Область феррит-перлит.

Q_фер.=ОВ/АВ*100%=0,19/0,75*100=24,66%

Q_ауст.ОА/АВ*100%=0,58/0,75*100=75,34%

Список использованных источников

Материаловедение (металлообработка) 2010г Адаскин А.М., Зуев В.М..
Материаловедение. Учебник для вузов. М Металлургия 1989г. Травин О.В., Травина Н.Т.
Физические свойства металлов и сплавов, изд.2, М., Металлургия, 1980

Б.Г. Лившиц, В.С.Крапошин, Я.Л.Линецкий.

4. Материаловедение: Учебник для вузов. 2007г.Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И.

5. Материаловедение.2007г. Мальцева Л.А., Гервасьев М.А. , Кутьин А.Б.

6. http://ru.wikipedia.org –сайт википедия.

7.http://supermetalloved.narod.ru/lectures_materialoved.htm - лекции по материаловедению.