Материаловедение ТКМ: Решение Варианта 22

Вот ответы на задания контрольной работы по курсу «Материаловедение. ТКМ» Вариант 22, оформленные так, чтобы их было удобно переписать в тетрадь школьнику.

Задания для контрольной работы по курсу «Материаловедение. ТКМ»

Вариант 22

1. Как влияет степень переохлаждения на величину зерна при кристаллизации?

Ответ:

Степень переохлаждения (разность между температурой равновесной кристаллизации и фактической температурой начала кристаллизации) оказывает существенное влияние на величину зерна при кристаллизации.

Чем больше степень переохлаждения, тем:

1. Увеличивается скорость образования зародышей новой фазы (скорость нуклеации). При сильном переохлаждении появляется больше центров кристаллизации.
2. Уменьшается скорость роста кристаллов. Хотя скорость роста кристаллов также зависит от переохлаждения, при очень больших переохлаждениях она может снижаться из-за затруднения диффузии атомов.

В результате, при увеличении степени переохлаждения образуется большое количество мелких кристаллов, что приводит к получению мелкозернистой структуры. Мелкозернистая структура обычно обладает лучшими механическими свойствами (повышенная прочность, твердость, вязкость).

2. Что такое относительное удлинение (\(\delta\), %)? Как определяется эта характеристика механических свойств металла?

Ответ:

Относительное удлинение (\(\delta\), %) – это характеристика пластичности материала, которая показывает, насколько сильно образец может удлиниться под действием растягивающей нагрузки до разрушения, выраженная в процентах от его первоначальной длины.

Определение:

Относительное удлинение определяется при испытании образца на растяжение. Для этого используется специальный образец с определенной расчетной длиной (\(L_0\)). Образец растягивают до разрушения, после чего измеряют его конечную длину (\(L_k\)) в месте разрыва.

Формула для расчета относительного удлинения:

\[\delta = \frac{L_k - L_0}{L_0} \cdot 100\%\]

Где:

• \(\delta\) – относительное удлинение, %
• \(L_k\) – конечная длина образца после разрыва, мм
• \(L_0\) – первоначальная расчетная длина образца, мм

Высокое значение относительного удлинения указывает на хорошую пластичность материала, его способность к деформации без разрушения.

3. Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 4,0% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?

Ответ:

Диаграмма состояния железо – карбид железа (Fe – Fe₃C)

(Здесь необходимо начертить диаграмму состояния Fe-Fe₃C. На диаграмме должны быть обозначены следующие области и линии:

• Линии ликвидуса и солидуса.
• Эвтектическая линия (1147 °C).
• Эвтектоидная линия (727 °C).
• Линии А₁, А₃, А_cm.
• Фазы: Ж (жидкость), \(\delta\)-феррит, \(\gamma\)-аустенит, \(\alpha\)-феррит, Fe₃C (цементит).
• Структурные составляющие в областях:
  • Ж
  • Ж + \(\delta\)-феррит
  • Ж + \(\gamma\)-аустенит
  • \(\delta\)-феррит
  • \(\gamma\)-аустенит
  • \(\gamma\)-аустенит + Fe₃C
  • \(\alpha\)-феррит + \(\gamma\)-аустенит
  • \(\alpha\)-феррит + перлит
  • перлит + Fe₃C (вторичный)
  • ледебурит (эвтектика)
  • ледебурит + \(\gamma\)-аустенит
  • ледебурит + перлит + Fe₃C (вторичный)

Поскольку я не могу нарисовать диаграмму, я опишу её ключевые моменты и структурные составляющие.

Структурные составляющие в основных областях диаграммы:

• Выше линии ликвидуса: Жидкость (Ж).
• Между линиями ликвидуса и солидуса: Жидкость (Ж) + твердая фаза (\(\delta\)-феррит или \(\gamma\)-аустенит).
• Ниже линии солидуса:
  • До 0,02% С: \(\delta\)-феррит, затем \(\alpha\)-феррит.
  • 0,02% – 0,8% С (доэвтектоидные стали): \(\gamma\)-аустенит, затем \(\alpha\)-феррит + перлит.
  • 0,8% С (эвтектоидная сталь): \(\gamma\)-аустенит, затем перлит.
  • 0,8% – 2,14% С (заэвтектоидные стали): \(\gamma\)-аустенит, затем перлит + вторичный цементит (Fe₃C_II).
  • 2,14% – 4,3% С (доэвтектические чугуны): \(\gamma\)-аустенит + ледебурит (эвтектика: \(\gamma\)-аустенит + Fe₃C). При охлаждении \(\gamma\)-аустенит превращается в перлит. Конечная структура: перлит + вторичный цементит + ледебурит.
  • 4,3% С (эвтектический чугун): Ледебурит. При охлаждении \(\gamma\)-аустенит в ледебурите превращается в перлит. Конечная структура: перлит + цементит (в составе ледебурита).
  • 4,3% – 6,67% С (заэвтектические чугуны): Первичный цементит (Fe₃C_I) + ледебурит. При охлаждении \(\gamma\)-аустенит в ледебурите превращается в перлит. Конечная структура: первичный цементит + перлит + цементит (в составе ледебурита).

Описание превращений для сплава, содержащего 4,0% С:

Сплав с 4,0% С относится к доэвтектическим чугунам.

Кривая охлаждения и превращения:

1. Выше 1147 °C (температура ликвидуса для 4,0% С): Сплав находится в жидком состоянии (Ж). Кривая охлаждения плавно понижается.
2. При температуре ликвидуса (около 1200 °C для 4,0% С): Начинается кристаллизация первичного аустенита (\(\gamma\)-фазы) из жидкости. Кривая охлаждения замедляется (излом).

   Правило фаз: \(Ф = К - С + 1\). \(К = 2\) (Fe, C), \(С = 1\) (давление постоянно). \(Ф = 2 - 1 + 1 = 2\). В двухфазной области (Ж + \(\gamma\)) система двухвариантна, температура меняется.

3. От температуры ликвидуса до 1147 °C: Продолжается кристаллизация аустенита. Сплав состоит из жидкости (Ж) и кристаллов аустенита (\(\gamma\)). По мере охлаждения количество аустенита увеличивается, а жидкости уменьшается. Кривая охлаждения продолжает понижаться.
4. При 1147 °C (эвтектическая температура): Происходит эвтектическое превращение. Оставшаяся жидкость (с 4,3% С) кристаллизуется в эвтектику – ледебурит (смесь аустенита и цементита). Температура остается постоянной до полного завершения эвтектического превращения (горизонтальный участок на кривой охлаждения).

   Правило фаз: \(Ф = 2 - 1 + 1 = 2\). В трехфазной области (Ж + \(\gamma\) + Fe₃C) система одновариантна, температура постоянна.

   После этого превращения сплав состоит из первичного аустенита (\(\gamma\)) и ледебурита.

5. От 1147 °C до 727 °C: Сплав состоит из аустенита (\(\gamma\)) и ледебурита. По мере охлаждения растворимость углерода в аустените уменьшается, и из аустенита выделяется вторичный цементит (Fe₃C_II) по линии А_cm. Кривая охлаждения плавно понижается.
6. При 727 °C (эвтектоидная температура): Происходит эвтектоидное превращение. Аустенит, входящий в состав первичных кристаллов и ледебурита, распадается на перлит (смесь феррита и цементита). Температура остается постоянной до полного завершения эвтектоидного превращения (горизонтальный участок на кривой охлаждения).

   Правило фаз: \(Ф = 2 - 1 + 1 = 2\). В трехфазной области (\(\gamma\) + \(\alpha\) + Fe₃C) система одновариантна, температура постоянна.

7. Ниже 727 °C до комнатной температуры: Сплав состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (в котором аустенит уже превратился в перлит). Кривая охлаждения плавно понижается.

Структура этого сплава при комнатной температуре:

При комнатной температуре сплав с 4,0% С будет иметь структуру, состоящую из:

• Перлита (эвтектоидная смесь феррита и цементита), образовавшегося из первичного аустенита и аустенита в ледебурите.
• Вторичного цементита (Fe₃C_II), выделившегося из аустенита при охлаждении от 1147 °C до 727 °C.
• Ледебурита (эвтектическая смесь перлита и цементита), образовавшегося из жидкости при 1147 °C.

Таким образом, структура будет: перлит + вторичный цементит + ледебурит.

Как такой сплав называется?

Сплав, содержащий 4,0% С, называется белым чугуном (доэвтектическим).

4. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 450 НВ. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений и какая структура получается в данном случае?

Ответ:

Диаграмма изотермического превращения аустенита для стали У8

(Здесь необходимо начертить С-образную диаграмму изотермического распада аустенита (ТТТ-диаграмму) для стали У8. Сталь У8 – это эвтектоидная сталь (0,8% С).

На диаграмме должны быть обозначены:

• Оси: температура (по вертикали) и логарифм времени (по горизонтали).
• Линия А₁ (727 °C).
• Две С-образные кривые, обозначающие начало и конец превращения аустенита.
• Области: аустенит (А), перлит (П), сорбит (С), троостит (Т), бейнит (Б), мартенсит (М).
• Линии Мн (начало мартенситного превращения) и Мк (конец мартенситного превращения).

Поскольку я не могу нарисовать диаграмму, я опишу её ключевые моменты и нанесу кривую режима.)

Кривая режима изотермической обработки для получения твердости 450 НВ:

Твердость 450 НВ для стали У8 соответствует структуре троостита или нижнего бейнита. Для получения такой твердости необходимо провести изотермическую выдержку в области трооститного или бейнитного превращения.

На диаграмме изотермического распада аустенита для стали У8:

1. Нагрев: Сначала сталь У8 нагревают до температуры выше А₃ (для эвтектоидной стали выше А₁, например, до 800-850 °C) и выдерживают для получения однородного аустенита.
2. Быстрое охлаждение: Затем сталь быстро охлаждают до температуры изотермической выдержки, минуя перлитную область. Для получения троостита это будет температура в диапазоне 500-550 °C. Для получения нижнего бейнита – 300-400 °C.
3. Изотермическая выдержка: Выдерживают при этой температуре до полного превращения аустенита.
4. Охлаждение до комнатной температуры: После завершения превращения охлаждают на воздухе.

Для получения твердости 450 НВ, кривая режима должна проходить следующим образом:

• Вертикальный участок вниз от температуры аустенитизации до температуры около 350-400 °C (область нижнего бейнита).
• Горизонтальный участок на этой температуре, пересекающий обе С-образные кривые (начало и конец превращения), что означает полное превращение аустенита в бейнит.
• Вертикальный участок вниз до комнатной температуры.

Как этот режим называется?

Этот режим называется изотермическая закалка (или бейнитная закалка, если целью является получение бейнита).

Сущность превращений:

При изотермической закалке аустенит распадается не при непрерывном охлаждении, а при постоянной температуре, ниже температуры А₁, но выше температуры начала мартенситного превращения (Мн). В зависимости от температуры изотермической выдержки, аустенит может превращаться в:

• Перлит (при высоких температурах, близких к А₁).
• Троостит (при средних температурах, 500-600 °C) – мелкодисперсная феррито-цементитная смесь.
• Бейнит (при более низких температурах, 250-500 °C) – игольчатая феррито-карбидная структура.

В нашем случае, при изотермической выдержке в области 350-400 °C, происходит бейнитное превращение. Это диффузионное превращение, но с очень ограниченной диффузией углерода, что приводит к образованию тонких пластинчатых или игольчатых кристаллов феррита, внутри которых или между которыми выделяются частицы карбидов.