WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
В.В. Тарасов, С.Б. Малышко ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА Морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского В.В. Тарасов, С.Б. Малышко МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Учебное пособие Рекомендовано методическим советом Морского государственного университета в качестве учебного пособия для организации самостоятельной работы студентов и курсантов Владивосток 2008 УДК681.3:669.017.12(075.8) Тарасов В. В. Материаловедение: учеб. пособие / В. В. Тарасов, С. Б. Малышко. – Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2008. – 72 с.

Учебное пособие составлено с учетом требований Государственного образовательного стандарта для технических специальностей высших учебных заведений. Рассмотрены основы теории сплавов, сплавы на основе железа, основы термической обработки углеродистых сталей.

Предназначено для самостоятельной работы студентов и курсантов при освоении данных разделов общепрофессиональной дисциплины.

Ил. 28, табл. 8, библиогр. 4 назв.

Рецензенты:

А.А. Попович, д-р техн. наук, профессор, директор института механики, автоматики и передовых технологий Дальневосточного государственного технического университета;

Г.С. Филиппов, д-р транспорта, профессор, директор института пищевой и холодильной промышленности Дальневосточного государ- ственного технического рыбного университета © Тарасов В.В., Малышко С.Б., 2008 © Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, 2008 Введение Требования к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки инженера определяются государственным образовательным стандартом. Для курса «Материаловедение» включают в себе следующие основные разделы.

Строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов. Стали и чугуны. Конструкционные металлы и сплавы. Цветные металлы и сплавы. Теория и технология термической обработки стали. Химикотермическая обработка. Жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы. Неметаллические материалы. Электротехнические материалы, резина, пластмассы. Поведение материалов в эксплуатации.

Этот курс представлен для всех специальностей, в стандартах которых в блоке общепрофессиональных дисциплин предусматривается изучение курса «Материаловедение» или «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».

Освоение курса «Материаловедение» осуществляется по рабочей программе и семестровому календарному учебному плану, которые разрабатываются на основе государственного образовательного стандарта дипломированного специалиста и способствуют выполнению требований к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки инженера и условиям ее реализации в сроки, предусмотренные стандартом.

Работа по освоению курса предусматривается, как в часы аудиторных занятий, так и самостоятельно. На самостоятельную работу по освоению дисциплины при очном обучении планируется 50 % от бюджета времени, отводимого для освоения всего курса.

Выполнение индивидуальных заданий предусматривается по трем разделам: основам теории сплавов, железоуглеродистые сплавы и основам термической обработки углеродистых сталей.

Защита индивидуальных заданий осуществляется тестированием.

Подготовиться к тестированию можно, используя разработанный на кафедре электронный учебно-методический комплекс (ЭУМК) по материаловедению.

ЭУМК установлен на сайте кафедры «Технология материалов», который имеет открытый доступ через Интернет и локальную сеть:

http://tm.msun.ru/tm/index.php Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ 1.1. Основные теоретические сведения 1.1.1. Фазовый состав сплавов Сплавами называются вещества, полученные сплавлением или спеканием из двух и более элементов. В сплавах элементы могут поразному взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, имеющая одинаковые состав, строение и свойства. В зависимости от атомно-кристаллической структуры различают твердые растворы и химические соединения.

Твердыми растворами называют кристаллы, в которых сохраняется тип кристаллической решетки элемента-растворителя. Твердые растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Если твердый раствор состоит из двух элементов А и В, то атомы растворенного элемента В (или А) размещаются в кристаллической решетке растворителя – элемента А (или В), замещая атомы в узлах решетки или внедряясь между узлами. В первом случае кристаллы называют твердыми растворами замещения, во втором – твердыми растворами внедрения.

Твердые растворы обозначаются буквами греческого алфавита:,, и т. д.

Кристаллы, образованные различными элементами, вступившими в химическую связь и имеющие собственный тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток, составляющих их элементов, называются химическими соединениями.

Строение металлических сплавов зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, их образующие. Cтруктура характеризует форму, размеры и взаимное расположение фаз в сплаве.

При кристаллизации сплавов могут образоваться однородные твердые растворы, химические соединения и смеси различных фаз.

Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния, изучению которых посвящена эта глава.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплавов. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы строится в координатах температура – химический состав сплава (рис. 1.1).



oC t a t A 20 X 40 60 80 B % B Рис. 1.1. Координатные оси диаграммы состояния двухкомпонентной системы В точках А и В проходят вертикальные оси, между которыми расположена диаграмма состояния компонентов А и В. Точки абсциссы АВ соответствуют составам сплавов компонентов А и В, которые выражаются через содержание одного из компонентов (например, компонента В). При этом величина отрезка АВ принимается за 100% компонента В (или А).

Так, сплав Х, указанный на рис. 1.1, содержит 30% компонента В и 70% компонента А.

1.1.2. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях представлена на рис. 1.2. На диаграмме состояния имеются две линии:

А'mB' – линия температур начала кристаллизации (конца плавления) сплавов, или линия ликвидуса твердого раствора; А'nB' – линия температур конца кристаллизации (начала плавления), или линия солидуса твердого раствора. Эти линии делят всю диаграмму состояния на три фазовые области. Выше линии ликвидуса располагается область однофазных жидких растворов, ниже солидуса – область однофазных твердых растворов. Между линиями ликвидуса и солидуса находится двухфазная область (Ж+).

Рис. 1.2. Диаграмма состояния системы А – В с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях Рассмотрим процессы, которые будут происходить в сплаве Х при его равновесном охлаждении (рис. 1.3, а). При охлаждении образца, находящегося в жидком состоянии, до комнатной температуры в сплаве будут наблюдаться две критические точки (m и n), соответствующие температурам t1 и t2. В исходном состоянии сплав представляет собой жидкий раствор, состав которого соответствует составу сплава. При охлаждении образца сплава до температуры первой критической точки t1 сплав будет оставаться однофазным.

При температуре t1 из жидкого раствора, состав которого отвечает точке m, начнут выделяться кристаллы твердого раствора, состав которых соответствует точке k. Произойдет изменение фазового состояния сплава, он станет двухфазным, начнется процесс кристаллизации. Температура t1 – температура ликвидуса сплава Х.

Фигуративная точка, отвечающая жидкой фазе, при понижении температуры будет перемещаться от точки m вниз по кривой ликвидуса, а фигуративная точка, соответствующая твердому раствору, – от точки k вниз по кривой солидуса. При какой-то промежуточной температуре t2 составы находящихся в равновесии жидкой и твердой фаз будут описываться фигуративными точками c и d, а состояние сплава Х – фигуративной точкой f. Отрезок cd, соединяющий фигуративные точки равновесных фаз, носит название коноды. Количество каждой из равновесных фаз в рассматриваемом сплаве может быть определено по правилу рычага. Если принять за точку опоры мысленного рычага cd фигуративную точку f, согласно правилу рычага отношение масс фаз будет обратно отношению отрезков от точки f до фигуративных точек соответствующих фаз.

Таким образом, mж fd =, (1) m cf где mЖ и m – масса соответственно жидкой и твердой фаз.

Рис. 1.3. Кристаллизация двухкомпонентного сплава:

а) диаграмма состояния системы А–В; б) кривая охлаждения сплава Х Из уравнения (1) следует, что mЖ mЖ fd fd == =, mЖ + m mспл cf + fd cd m cf =, mспл cd где mспл – масса сплава.

Как видно из этих уравнений, количество той или иной фазы в сплаве может быть выражено в долях или в процентах от массы всего сплава. При этом вся длина коноды cd будет соответствовать массе всего сплава, то есть 100 %, а отрезки cf и fd – массам фазы и жидкой фазы.

Процесс кристаллизации закончится при такой температуре, при которой отрезок коноды между точками, соответствующими кристаллам фазы и сплаву, будет равен нулю. Такой температурой будет температура t2. Температура конца кристаллизации сплава t2 называется температурой солидуса сплава. Точки r и n будут соответствовать составам последних капель жидкого раствора и кристаллов фазы, находящихся в равновесии друг с другом при температуре t2. Следовательно, процесс кристаллизации сплава Х происходит в интервале температур от t1 до t2. При этом фигуративная точка жидкого раствора перемещается по кривой ликвидуса от точки m до точки r, а фигуративная точка твердого раствора – по кривой солидуса от k до точки n.

Процесс кристаллизации может быть записан в виде реакции t t 1- Жm - r k - n.

Эта реакция является реакцией кристаллизации сплава.

При охлаждении сплава Х от t2 до комнатной температуры в нем никаких фазовых превращений не происходит.

Кривая охлаждения образца сплава Х (рис. 1.3, б) в интервале температур от t1 до t2 изменяет свой ход, что связано с выделением теплоты кристаллизации. Поэтому по термограммам охлаждения сплава можно определить температуры ликвидуса и солидуса.

Подобные кривые получаются и при термическом анализе других сплавов заданной системы. Различие между кривыми охлаждения различных сплавов заключается лишь в температурах критических точек.

Рис. 1.4. Структура сплава Х после равновесной кристаллизации (схема) После равновесной кристаллизации структура сплава Х будет состоять из кристаллов твердого раствора, состав которых соответствует составу сплава (рис. 1.4).





1.1.3. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состояниях (эвтектический тип) Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии эвтектического типа приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Фазовая диаграмма двухкомпонентной системы А – В с ограниченной растворимостью их в твердом состоянии А'e – линия ликвидуса твердого раствора (твердого раствора компонента В в компоненте А), В'e – линия ликвидуса твердого раствора (твердого раствора компонента А в компоненте В). А'а и В'b – это линии солидуса и твердых растворов соответственно; ab – эвтектическая линия; е – эвтектическая точка; аc является линией ограниченной растворимости компонента В в компоненте А (линией сольвуса раствора), а bd – линией ограниченной растворимости компонента А в компоненте В (линией сольвуса раствора). Эти линии разбивают всю диаграмму состояния системы А – В на шесть фазовых областей: три однофазные области (Ж,, ) и три двухфазные области (Ж+, Ж+, +). Эвтектическая прямая является по существу седьмой, выродившейся в линию трехфазной областью Ж++.

Все сплавы системы А – В могут быть подразделены на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические сплавы. Состав эвтектического сплава соответствует составу точки эвтектики е. Доэвтектические сплавы находятся в области, расположенной между точками а и е, а заэвтектические сплавы – в области между точками е и в.

Проанализируем процессы, происходящие при охлаждении эвтектического сплава Х такой системы, в которой величина предельной растворимости как компонента В в твердом растворе, так и компонента А в твердом растворе не изменяется при изменении температуры (рис. 1.6, а). Вертикаль, проходящая через точку Х, пересекает линии диаграммы состояния в точке е.

oC t, oC t, ' Х B Ж A' Ж Х Ж + Ж + + Ж te te b a e + +, c c d A B %B а) б) Рис. 1.6. Кристаллизация эвтектического сплава:

а) диаграмма состояния системы А – В; б) кривая охлаждения эвтектического сплава Х Следовательно, сплав Х будет иметь одну критическую точку, которой соответствует эвтектическая температура te. При охлаждении сплава до te фазовый состав сплава изменяться не будет. Точка е одновременно принадлежит как кривой ликвидуса твердого раствора, так и кривой ликвидуса твердого раствора. Жидкий сплав, фигуративная точка которого соответствует точке е, будет одновременно насыщен как по отношению к кристаллам раствора, так и по отношению к кристаллам фазы. Поэтому из этого жидкого раствора в процессе равновесной кристаллизации одновременно будут выделяться как, так и кристаллы. Получающаяся в результате кристаллизации сплава Х смесь и кристаллов носит название эвтектической смеси, или эвтектики. Процесс эвтектической кристаллизации может быть записан в виде реакции te Же a + b.

При равновесной эвтектической кристаллизации в образце сплава Х в равновесии находятся три фазы: жидкий раствор, кристаллы твердого раствора и кристаллы твердого раствора, составы которых соответствуют фигуративным точкам е, a и b. После окончания эвтектической кристаллизации структура сплава будет представлять собой эвтектическую смесь кристаллов и фаз. Соотношение количеств этих фаз в эвтектике m be.

= m ae Предельные растворимости компонентов А и В в фазах, при изменении температуры не изменяются, поэтому в процессе охлаждения сплава Х до комнатной температуры составы фаз в сплаве изменяться не будут.

На рис. 1.6, б представлена кривая охлаждения сплава Х. На кривой охлаждения наблюдается горизонтальная площадка, соответствующая эвтектической кристаллизации. Микроструктура эвтектического сплава (рис. 1.7) имеет одну структурную составляющую эвтектику, но фазовых составляющих в структуре сплава Х будет две. Это эвтектические кристаллы твердого раствора и эвтектические кристаллы твердого раствора.

Рис. 1.7. Микроструктура эвтектического сплава (схема) Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении образца доэвтектического сплава Х1 такой системы, в которой предельная растворимость компонента В в твердом растворе и предельная растворимость компонента А в твердом растворе уменьшаются с понижением температуры (рис. 1.8). Вертикаль сплава Х1 пересекает в точках t1 и 2 две линии диаграммы состояния. В интервале температур от до te происходит кристаллизация твердого раствора:

t1 - t Ж1 - e 2 f - a.

Кристаллы фазы, выделяющиеся в эту стадию кристаллизации, называются первичными. В конечный момент кристаллизации фигуративная точка первичных кристаллов оказывается в точке а, а фигуративная точка жидкого раствора в точке е.

При температуре te жидкий раствор кристаллизуется в виде эвтектики te Жe a + b.

Таким образом, кристаллизация сплава Х1 происходит в две стадии. Поэтому после эвтектической кристаллизации при температуре te структура сплава будет состоять из двух структурных составляющих:

первичных кристаллов твердого раствора и эвтектики а+b. Фазовых составляющих в структуре сплава Х1 после кристаллизации эвтектики будет также две. Это кристаллы и фаз.

В результате того, что предельная растворимость компонента В в твердом растворе уменьшается с понижением температуры, в процессе охлаждения будет происходить распад твердого раствора с выделением вторичных кристаллов. При этом фигуративная точка кристаллов будет перемещаться по кривой аc, а кристаллов – по кривой bd.

Этот процесс может быть записан в виде реакции te -tкомн b-d.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.