Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Контрольная работа 2
Сплавы – это металлические материалы, состоящие из двух и более элементов, в том числе и неметаллов.
Входящие в состав сплава вещества принято называть компонентами сплава, причем компоненты могут быть простыми (Fe, Cu) и сложными (Fe3C, CuAl2).
В расплавленном состоянии большинство металлов растворяются друг в друге без ограничений, образуя жидкий раствор. При кристаллизации они могут образовать подобную структуру – твердый раствор одного компонента в решетке другого. Иногд99-*/а компоненты вступают в химическое взаимодействие и образуют химическое соединение. Но бывает и так, что между компонентами в твердом состоянии нет никакого взаимодействия, и тогда они кристаллизуются раздельно, каждый образует свои собственные кристаллы, а сплав представляет собой механическую смесь кристаллов исходных компонентов. Твердые растворы, механическая смесь, химическое соединение.
Твердые растворы возникают, если атомы одного компонента могут встраиваться в кристаллическую решетку другого компонента. Тот компонент, которого в сплаве больше и решетка которого сохраняется, называется растворителем. Компонент, доля которого меньше, занимает какие-то места в решетке растворителя и называется растворенным веществом. Твердые растворы могут быть образованы двумя способами:
а) Твердые растворы замещения возникают, если атомы одного компонента замещают атомы другого компонента в его решетке, б) Твердые растворы внедрения возникают, если атомы одного компонента (B) находятся в порах кристаллической решетки другого компонента (A).
У металлов возможна неограниченная растворимость, когда атомы компонента B замещают атомы компонента A в любой пропорции, от 0 до 100 %. Для этого, кроме близкого размера атомных радиусов, они должны иметь один тип решетки и одинаковое строение валентной электронной оболочки. Гораздо чаще встречается ограниченная растворимость, когда замещение атомов растворителя атомами растворенного компонента возможно до какого-то определенного содержания, называемого пределом растворимости. Так, например, растворяются цинк или олово в меди. Предел растворимости цинка в меди составляет 39 %.
Под микроскопом твердые растворы выглядят так же, как и чистые металлы: видны только границы зерен. Твердый раствор – это одна фаза, поэтому рентгеноструктурный анализ покажет только решетку металла-растворителя, но ее параметры будут отличаться в большую или меньшую сторону из-за искажений, вызванных растворенным веществом.
Механическая смесь кристаллов возникает, если компоненты не могут растворяться друг в друге и не вступают в химическую реакцию.Такие сплавы представляют собой смесь сросшихся между собой кристаллов исходных компонентов. Под микроскопом в сплаве, представляющем собой механическую смесь кристаллов, видны зерна двух разных видов: зерна A и зерна B (рис. 51). Это двухфазная структура, поэтому рентгеноструктурный анализ сплава показывает два вида решеток: металла A и металла B.
Химическое соединение возникает, если компоненты могут вступать в химическую реакцию друг с другом и образовывать устойчивое сложное вещество со строго определенным соотношением между атомами одного и другого компонента.
Диаграмма состояния – это графическое изображение фазового со-стояния сплава в зависимости от температуры и состава. Диаграмма состояния строится в координатах «температура-состав» и показывает равновесные фазы, возникающие в сплавах при различных сочетаниях этих факторов.
Для построения диаграмм состояния используют, прежде всего, метод термического анализа: строят кривые охлаждения для сплавов с разным содержанием исходных компонентов. Параллельно изучают состояние сплава, применяя микроанализ, рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, магнитные методы, определение физических и механических характеристик.
Компонент – это индивидуальная, независимая часть системы, способная к существованию в изолированном состоянии в виде конкретного вещества.
Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от других частей (фаз) поверхностью раздела при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.
Температуры, соответствующие не фазовым превращениям , называются критическими.
Линию начала кристаллизации 1-2-3 называют линией ликвúдус (liqua – жидкость). Выше этой линии все сплавы системы находятся в жидком состоянии.Линию окончания кристаллизации 1-4-3 называют линией солúдус (solid –твердое тело). Ниже этой линии все сплавы системы находятся в твердом состоянии.
Смесь очень мелких кристаллов двух компонентов, кристаллизующаяся при постоянной и самой низкой для данной системы температуре, называется эвтектикой (от греческого слова «легкоплавкая»).Сплав состава 2' называют эвтектическим; сплавы в левой области диаграммы, до точки 2', называют доэвтектическими, а в правой области – заэвтектическими.
Поверхностные слои будут богаче тугоплавким компонентом B, а сердцевина – легкоплавким компонентом A. Такое явление называется ликвацией.Ликвация может проявляться и в объеме одного кристалла: в центре он окажется обогащен тугоплавким компонентом, а у границ – легкоплавким. Это – микроликвация (внутрикристаллическая или дендритная ликвация).Ликвация – явление нежелательное. Микроликвация проявляется при большой скорости охлаждения, а при медленном охлаждении успевает пройти диффузия, выравнивающая состав сплава в объеме зерна. Если микроликвация все же возникла, то для ее устранения применяют диффузионный отжиг: нагрев отливки до температур, близких к солидусу, в течение длительного времени. Но ликвация во всем объеме отливки отжигом не устраняется.
Растворимость при охлаждении снижается; каждой температуре соответствует своя равновесная концентрация растворенного компонента B. Вот откуда на диаграмме появляется линия 4-6 – линия фазового превращения в твердом состоянии. Ее называют линией предельной растворимости компонента B в компоненте A. Выше этой линии сплав является однофазным твердым раствором , а ниже – двухфазным
Если компоненты сплава A и B взаимодействуют между собой с образованием химического соединения AmBn, то диаграмма состояния рассматривается как две отдельные диаграммы, для каждой из которых химическое соединение является одним из компонентов. Диаграммы состояния таких сплавов выглядят более сложными, чем рассмотренные ранее, но если мысленно разделить («разрезать») диаграмму по линии, соответствующей составу химического соединения, то левая и правая части окажутся уже известными простыми диаграммами.
Если известны свойства чистых компонентов и вид диаграммы состояния для этой системы сплавов, то можно предсказать свойства любого сплава данной системы.показаны рассмотренные типы диаграмм состояния сплавов и соответствующее им изменение свойств (твердости по Бринеллю HB и относительного удлинения δ) при комнатной температуре. У неограниченных твердых растворов свойства изменяются по криволинейной зависимости. Если сплав представляет собой механическую смесь компонентов, то свойства сплавов изменяются линейно, пропорционально концентрации. В системе сплавов с ограниченными твердыми растворами свойства в области твердого раствора изменяются по криволинейной зависимости, а в областях, где присутствует эвтектика, – по линейной зависимости. Если образуется химическое соединение, то зависимость свойств от состава сплава резко изменяется при переходе через эту точку.
Компонентами в сплавах железа с углеродом являются металл железо и неметалл углерод.
Углерод может растворяться в жидком железе и в решетках обеих полиморфных модификаций, а также образует с железом химическое соединение. Поэтому в сплавах могут присутствовать следующие фазы: жидкий раствор (Ж), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), графит (Г).
Линия ACD – ликвидус диаграммы. В левой части, под кривой AC, кристаллизуется аустенит, а в правой, под кривой CD, – цементит. Солидус диаграммы AECF состоит из криволинейного участка AE, на котором заканчивается кристаллизация аустенита, и горизонтального участка ECF, на котором образуется эвтектика, состоящая из аустенита и цементита
Сплавы железа с углеродом разделяют на две группы: стали и чугуны. Границей между этими двумя группами сплавов является точка E с содержанием углерода 2,14 % – предел растворимости углерода в железе. Эти сплавы имеют совершенно разные свойства. Все стали (сплавы, содержащие менее 2 % углерода) при нагреве становятся однофазными. Фаза эта – аустенит, твердый раствор на базе железа с ГЦК решеткой. Металлы с таким типом решетки наиболее пластичны. Поэтому сталь – сплав деформируемый. Чугун же до самой температуры плавления остается двухфазным, и одна из этих фаз – твердый хрупкий цементит, который не позволяет деформировать материал.
По структуре различают следующие группы сталей:
1)техническое железо с содержанием углерода менее 0,02 %. Структура сплава однофазная – феррит;
2)доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8 %. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис. 65, б);
3)эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8 %. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис. 65, в);
4)заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 %. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементит-ными оболочками (рис. 65, г).
По структуре различают следующие разновидности белых чугунов:
1)доэвтектические белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %. Структура сплавов состоит из эвтектики (ледебурита) и участков перлита;
2)эвтектический белый чугун с содержанием углерода 4,3 %. Структура сплава – ледебурит, состоящий из цементита (светлая составляющая) и перлита (темные участки);
3)заэвтектический белый чугун с содержанием углерода от 4,3 до 6,69 %. Структура состоит из пластин первичного цементита и ледебурита.
Углеродистые стали – это сплавы на основе железа, содержащие до 2 % углерода, а также марганец, кремний, серу и фосфор в количествах, зависящих от способа выплавки.
С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. При повышении содержания углерода до 0,8 % увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100 %), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки. Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20º. Это значит, что уже сталь с 0,4 % С переходит в хрупкое состояние примерно при 0 ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации. Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.
Марганец повышает предел прочности, немного снижает вязкость. Он связывает серу в сульфид MnS, в этом его главная польза. Кремний значительно повышает предел текучести. При этом ухудшается штампуемость стали. Сера – вредная примесь. Она вызывает красноломкость стали: хрупкость при горячей обработке давлением. Но сульфиды, как любые неметаллические включения, являются концентраторами напряжений, снижают пластичность и вязкость. Поэтому содержание серы в стали должно быть ограничено. Фосфор вызывает хладноломкость стали, сдвигая порог хладноломкости в область более высоких температур.
1)По химическому составу стали делятся на углеродистые и легиро-ванные. В свою очередь, углеродистые стали можно подразделить на низкоуглеродистые (до 0,3 % С), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,6 % С) и высокоуглеродистые (свыше 0,6 % С).
2)По структуре стали классифицируют на доэвтектоидные, эвтекто-идные и заэвтектоидные, о чем уже говорилось при рассмотрении диаграммы железо – углерод.
3)По назначению можно выделить много различных групп. Основные группы – это строительные стали, конструкционные стали, инструментальные стали. В свою очередь, конструкционные стали делятся на цементуемые стали, улучшаемые стали, рессорно-пружинные стали и т. д.
4)По степени раскисления стали подразделяются на спокойные, полуспокойные и кипящие.
5)Классификация сталей по качеству : обыкновенного качества, качественные стали, высококачественные стали, особовысококачественные стали.
Спокойная сталь – это хорошо раскисленная сталь. При выплавке в конце процесса осуществляется последовательно раскисление ее марганцем, кремнием и алюминием.
Полуспокойная сталь раскисляется только марганцем и алюминием. Поэтому из нее в меньшей степени удален кислород. Кипящая сталь – это плохо раскисленная сталь. Раскисление в этом случае осуществляется только марганцем
обыкновенного качества, качественные стали, высококачественные стали, особовысококачественные стали
обыкновенного качества (буквы Ст обозначают «сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава. С увеличением номера марки увеличивается содержание углерода и марганца в стали), качественные стали (марки конструкционных качественных сталей обозначаются содержанием углерода в сотых долях процента), высококачественные стали (содержат пониженное количество вредных примесей, благодаря чему менее склонны к хрупкому разрушению, более надежны при эксплуатации. Обозначение марок такое же, как и у качественных сталей, но в конце марки ставится буква «А»), особовысококачественные стали (Способ переплава указывается в конце марки через дефис: «-Ш» – электрошлаковый, «-ВД» – вакуумно-дуговой, «-ШД» – электрошлаковый и вакуумно-дуговой и т. п. Именно это обозначение говорит об особо высоком качестве стали).
А) Белые чугуны содержат углерод только в связанном виде – в виде цементита. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. В структуру любого белого чугуна входит эвтектика – ледебурит. Твердость составляет 450-500 HB, материал очень хрупкий и твердый. Резанием (лезвийным инструментом) не обрабатывается, для изготовления деталей не используется.
Применяют отбеленные чугунные детали, у которых сердцевина имеет структуру серого чугуна, а с поверхности есть слой белого чугуна толщиной 5-7 мм. Так можно изготавливать прокатные валки, тормозные колодки, шары мельниц для размола горных пород, лемехи плугов, зубья ковшей экскаваторов, доски в драгах, – то есть, изделия, от которых требуется высокая твердость и износостойкость поверхности.
Б) В сером чугуне весь углерод или его часть находятся в свободном виде – в виде графита. Металлическая основа серого чугуна может быть ферритной, перлитной или смешанной – феррито-перлитной. Излом серого чугуна темно-серого цвета, а в ферритном чугуне, в котором весь углерод содержится в виде графита, – бархатно-черного. Перлитные серые чугуны тверже и прочнее, ферритные – наименее прочные, феррито-перлитные – имеют промежуточные характеристики. Имеет высокую жидкотекучесть и малую усадку, что позволяет получать тонкостенные фасонные отливки. Хорошо обрабатывается резанием. Чугун нечувствителен к надрезам на поверхности деталей (в отличие от стали).Детали из чугуна изготавливают литьем с последующей обработкой резанием. ГОСТ 1412-85 включает 6 основных марок серого чугуна. Чугун – единственный сплав, в марке которого зашифрован не химический состав, а механические свойства. Например, марка СЧ12 означает: серый чугун с пределом прочности при растяжении 120 МПа (12 кг/мм2).Серые чугуны применяют для изготовления деталей, работающих с небольшими нагрузками, в основном, на сжатие. Это колонны, опоры, корпуса, станины, крышки, суппорты, зубчатые колеса, канализационные трубы, ванны, батареи.
В) Отжиг на ковкий чугун – длительная процедура, он занимает до 70-80 часов. Поэтому ковкий чугун самый дорогой. Маркировка ковких чугунов по ГОСТ 1215-92 включает характеристику не только прочности, но и пластичности. Например, КЧ45-7 означает ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 450 МПа (45 кг/мм2) и относительным удлинением 7 %. Но несмотря на повышенную пластичность материала, название «ковкий» – условное, ковать его нельзя. Ковкие чугуны применяют для мелких деталей, работающих с вибрациями, ударами: крюков, скоб, картеров, ступиц и т. д.
Г) Такой вид чугунов был создан с целью повысить механические свойства чугуна, сохранив его преимущества перед сталью. Предел прочности при растяжении и относительное удлинение δ у высокопрочных чугунов выше, чем у серых, так как шаровидные включения графита – более мягкие концентраторы напряжения, чем пластинчатые. Маркировка высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293-85 аналогична маркировке серых. Например, ВЧ90 означает: высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 900 МПа (90 кг/мм2).
Такие чугуны выдерживают значительные растягивающие нагрузки, поэтому применяются для более ответственных деталей: кузнечно-прессового оборудования, станин прокатных станов, коленчатых валов автомобилей, поршней и т.д. Их можно подвергать упрочняющей термообработке. Есть смысл выплавлять легированные высокопрочные чугуны для особых условий эксплуатации – с повышенной вязкостью при отрицательных температурах, жаропрочные, коррозионно-стойкие.