Условия получения мелко зернистой структуры при самопроизвольно развивающейся кристаллизации, используя теорию Тамманна

 

 

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

 ВВЕДЕНИЕ.

 

В данной контрольной работе опираясь на теоретические обоснования  и другие источники мы дадим ответы на следующие вопросы:

1. Опишем условия получения  мелко зернистой структуры при  самопроизвольно развивающейся  кристаллизации, используя теорию  Тамманна.

2.В чем различие  между  упругой и пластичной деформациями?

3. Вычертим диаграмму состояния железо-карбид железа, укажем структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишем превращение и построим кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600⁰ С  ( с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3% С. Выберем для данного сплава любую температуру между линиями ликвидус с солидус и определим:

А) Состав фаз, то есть процентное содержание углерода в фазах при  этой температуре;

Б) Количественное содержание фаз.

4. С помощью диаграммы состояния железа-карбид железа определим температуру полного и не полного отжига и свойства стали после каждого вида термической обработки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Опишем условия получения  мелко зернистой структуры при  самопроизвольно развивающейся  кристаллизации, используя теорию  Тамманна.

 

Рассматривая этот вопрос мы обратимся к тому что же такое  кристаллизация. Кристаллиза́ция —  процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое  кристаллическое с образованием кристаллов. Фазой называется однородная часть термодинамической системы  отделённая от других частей системы(других фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачками.

Переход металла из жидкого  состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Процесс  кристаллизации может протекать  только при переохлаждении металла  ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать  процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:

ΔT=Tп-Тк.

Термические кривые, характеризующие  процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью  ℓ, показаны на рисунке

 

Рисунок 1 – Кривые охлаждения металла

при кристаллизации (ℓ₁< ℓ₂< ℓ₃)

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и  процесс кристаллизации протекает  при температуре близкой к  равновесной Тп. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка  в падении температуры), образование  которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при  охлаждении.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые ℓ₁,  ℓ₂  ) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.

Чем больше скорость образования  зародышей и меньше скорость роста  их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура  металла.

При небольшой скорости переохлаждения ΔT (малой скорости охлаждения) число  зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С  увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей  возрастает, количество их увеличивается  и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Размер зерна металла  сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет  мелкое зерно.[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.В чем различие  между  упругой и пластичной деформациями?

 

Отвечая на этот вопрос рассмотрим что же такое вообще деформация. Всё довольно просто: деформа́ция (от лат. deformatio — «искажение») — изменение  взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга. Деформация представляет собой  результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которого является упругое  механическое напряжение. [2]

Далее рассмотрим что такое  пластическая и что такое упругая  деформация:

Пластическая деформация - сложный физико-химический процесс, в результате которого наряду с изменением формы и строения исходного металла  изменяются его механические и физико-химические свойства. Рассмотрела физическую сущность процесса пластической деформации.

Упругая деформация — деформация, исчезающая после прекращения действий внешних сил. При этом тело принимает  первоначальные размеры и форму. При упругой деформации её величина не зависит от предыстории и полностью  определяется механическими напряжениями, то есть является однозначной функцией от напряжений. Для большинства веществ  эту зависимость можно с хорошей  точностью считать прямой пропорциональностью. При этом упругая деформация описывается  законом Гука. Наибольшее напряжение, при котором закон Гука справедлив, называется пределом пропорциональности.

Некоторые вещества (металлы, каучуки) могут претерпевать значительную упругую деформацию, в то время  как у других (керамики, прессованные материалы) даже ничтожная деформация перестаёт быть упругой.

Максимальное механическое напряжение, при котором деформация ещё остаётся упругой, называется пределом текучести. Выше этого предела деформация становится пластической.

Упругие деформации могут  изменяться периодически со временем (упругие колебания). Процесс распространения  упругих колебаний в среде  называют упругими волнами.[3]

Теперь можно рассмотрев что такое та и другая деформации дать ответ на вопрос в разнице  между ними. А разница заключается  в том что одна а именно упругая  обратима и не несёт в себе серьёзного влияния на структуру вто время  как пластическая вызывает серьёзные  изменения от формы до физико-химических свойств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Вычертим диаграмму  состояния железо-карбид железа, укажем структурные составляющие  во всех областях диаграммы,  опишем превращение и построим  кривую нагревания в интервале  температур от 0 до 1600⁰ С  ( с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3% С. Выберем для данного сплава любую температуру между линиями ликвидус с солидус и определим:

А) Состав фаз, то есть процентное содержание углерода в фазах при  этой температуре;

Б) Количественное содержание фаз.

 

 

Опишем превращения для  сплава, содержащего 3%С. в интервале  температур от 0 до 1600⁰ С.:

0-738 С. α+Fe₃C перлит +цементит + ледебурит.

700-1153 С. ɣ+Fe₃C аустенит +  цементит + ледебурит.

1153-1300 С. ɣ+L аустенит + жидкость.

1300-1600 С. Жидкость.

В железоуглеродистых сплавах  присутствуют следующие твердые  фазы:

Аустенит (А) – твердый  раствор внедрения углерода в g-железе.

Аустенит имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую  решетку. Растворимость углерода в Feg зависит от температуры: чем выше температура, тем больше растворимость. Максимальная растворимость углерода в Feg равна 2,14% при температуре 1147°С, при температуре 727°С растворимость  равна 0,8%. Аустенит обладает высокой  пластичностью, низкими пределами  текучести и прочности. Твердость  НВ составляет 170…220.

Феррит (Ф) – твердый раствор  внедрения углерода в a-железе. Феррит имеет кубическую объемно центрированную кристаллическую решетку. Растворимость  углерода в Fea также зависит от температуры. Максимальная растворимость углерода в Fea равна 0,02% при температуре 727°С, максимальная растворимость при комнатной температуре – 0,006%. Феррит (при 0,006% С) имеет следующие механические свойства sв = 250 МПа,

s0,2 = 120 МПа, d = 50% , y = 80%, НВ 80…90.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом Fe3C, содержащее 6,67% углерода. Он обладает сложной кристаллической  решеткой, тепло- и электропроводностью, слабыми магнитными свойствами, высокой  твердостью НВ 800, отличается хрупкостью. До температуры 210°С цементит ферромагнитен. Температура плавления цементита  – 1260°С.

Различают: первичный цементит ЦI, который выделяется из жидкой фазы во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих углерода более 

2,14 %; вторичный цементит  ЦII, который выделяется из аустенита  в железоуглеродистых сплавах,  содержащих более 0,8% углерода, в  интервале температур от 1147 до 727°С; третичный цементит ЦIII – выделяется  из феррита в железоуглеродистых  сплавах, содержащих более 0,006% углерода, в интервале температур  от 727 до 0°С. Если в железоуглеродистом  сплаве находятся одновременно  несколько разновидностей цементита,  то все они являются одной  фазой, т.е. химическим соединением,  так как имеют один и тот  же состав, строение и свойства.

Графит. Кристаллическая  решетка графита - гексагональная слоистая. Он мягкий, обладает низкой прочностью и электропроводностью.

В железоуглеродистых сплавах  могут присутствовать следующие  двухфазные структуры:

Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Перлит образуется из аустенита определенного  состава (0,8% С) при температуре 727°С. Содержание углерода в перлите для  всех железоуглеродистых сплавов всегда постоянно и составляет 0,8%. В равновесии перлит имеет пластинчатое строение (см. микроструктуру). В результате термообработки можно получить перлит зернистый, но такая структура будет неравновесной. Механические свойства перлита зависят  от степени измельченности частичек цементита и формы цементита. Сталь со структурой пластинчатого  перлита имеет такие свойства: sв = 820 МПа, d = 15%, НВ 220; сталь с зернистым  перлитом - sв = 630 МПа, d = 20%, НВ 160.

Ледебурит (Л) – эвтектическая  смесь, образующаяся при постоянной температуре 1147°С из жидкой фазы определенного  состава (4,3% С). При температуре 1147°С и до 727°С ледебурит состоит из двух фаз – аустенита и цементита; ниже 727°С ледебурит состоит из двух структур – перлита и цементита, т.е. также из двух фаз, но только уже  из феррита и цементита. Содержание углерода в ледебурите всегда постоянно  и равно 4,3%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. С помощью диаграммы  состояния железа-карбид железа  определим температуру полного  и не полного отжига и свойства  стали после каждого вида термической  обработки. 

 

Для начала определимся что  есть отжиг.

Отжиг — вид термической  обработки металлов и сплавов, заключающийся  в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для повышения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений.

По классификации А. А. Бочвара различают 2 вида отжига:

Отжиг 1-го рода — без фазовой  перекристаллизации — применяется  для приведения металла в более  равновесное структурное состояние: снимается наклёп, понижается твёрдость, возрастают пластичность и ударная  вязкость, снимаются внутренние напряжения (в связи с процессами отдыха и  рекристаллизации).

Отжиг 2-го рода осуществляется с фазовой перекристаллизацией: сталь нагревается до температуры  выше критических точек, затем следует  выдержка различной продолжительности  и последующее сравнительно медленное  охлаждение.

Полный и неполный отжиг 

Полный отжиг заключается  в нагреве стали на 30–50 °C выше верхней критической точки для  полного превращения структуры  стали в аустенит и последующем  медленном охлаждении до 500–600 °C для  образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50–100 °C/ч. Если охлаждение ведётся на воздухе, происходит нормализация.

Неполный отжиг заключается  в нагреве до температур между  нижней и верхней критическими точками  и последующем медленном охлаждении. [5]