Диаграммы состояния двойных сплавов 1 страница
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Методические указания и задания для контрольной работы
Введение
Совершенствование производства, выпуск современных разнообразных машиностроительных конструкций, специальных приборов и машин невозможны без дальнейшего развития производства металлических сплавов, которые в настоящее время являются основными материалами в машиностроении. В зависимости от назначения к сплавам предъявляются различные требования. Некоторые из них должны отличаться высокой прочностью, другие – пластичностью, третьи – высокой электропроводностью или высоким электрическим сопротивлением, четвёртые – специальными магнитными свойствами и т.д. Получение тех или иных свойств определяется внутренним строением сплава. В свою очередь строение сплава зависит от состава и характера предварительной обработки. Следовательно, между всеми этими характеристиками существуют определённые связи: между составом и строением (первая связь), между обработкой и строением (вторая связь) и между строением и свойствами (третья связь). Изучение этих связей составляет предмет дисциплины, которая называется «Материаловедением». В этой дисциплине изучаются, с одной стороны, физические основы указанных выше связей; с другой стороны, материаловедение является первой инженерной дисциплиной, данные которой широко используются при курсовом и дипломном проектировании, а также в практической деятельности инженеров с техническим образованием.
Темы вопросов, включённых в расчётную - графическую работу
| № п/п | Наименование тем | Номера вопросов |
| Атомно-кристаллическое строение металлов. Кристаллизация сплавов. | с 1 по 100 | |
| Теория сплавов. Диаграммы состояния двойных сплавов. | с 101 по 200 | |
| Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла. Механические свойства сплавов. | с 201 по 300 | |
| Железо и его сплавы. Диаграмма состояния Fe – C. | с 301 по 400 | |
| Термическая и химико-термическая обработка стали. Поверхностное упрочнение металлов. | с 401 по 500 | |
| Конструкционные и инструментальные материалы. Стали, чугуны, цветные сплавы. Специальные и неметаллические материалы. | с 501 по 600 |
Методические указания
Т е м а 1. Атомно-кристаллическое строение металлов. Кристаллизация сплавов.
Вопросы в этой теме базируются на материале курсов физики и химии, для этого необходимо вспомнить различие в электронном строении атомов различных типов элементов. Познание электронного строения атомов элементов является основой для понимания свойств элементов.
Рассматривая типы химических связей в твёрдых телах, основное внимание обратите на особый тип металлической связи. Металлическая связь между атомами ненаправленная, она и обуславливает отличительные свойства металлов: высокую электропроводность и теплопроводность, высокую пластичность и металлический блеск. Металлические тела характеризуются кристаллическим строением. Необходимо хорошо знать, какие типы решёток свойственны металлам, что называется координационным числом, базисом решётки.
В различных направлениях кристаллической решётки плотность расположения атомов различна, что влечёт за собой различие в свойствах кристалла в зависимости от направления, в котором это свойство измерено – анизотропию. В связи с этим введены понятия индексы положения кристаллографических плоскостей и индексы направлений.
Однако надо помнить, что свойства реальных кристаллов определяются известными несовершенствами кристаллического строения. В связи с этим необходимо разобраться в видах несовершенств и особенно в строении дислокаций (линейных несовершенств), причинах их лёгкого перемещения в кристаллической решётке и влияния на механические свойства.
Закономерности процесса кристаллизации имеют очень большое практическое значение, так как они определяют качество образующейся первичной структуры материала, которая определяет механические свойства отливки, или технологические и механические свойства материала заготовки(слитков) при их дальнейшей обработке.
Эти закономерности сохраняют силу и при перекристаллизации металлов и сплавов в твёрдом состоянии, например, при термической обработке сплавов.
Термодинамические причины фазовых превращений являются одним из частных случаев общего закона природы: стремления любой системы к состоянию с наименьшим запасом энергии (в данном случае свободной энергии). Разберитесь в теоретических основах процесса кристаллизации, состоящего из двух элементарных процессов: зарождения и роста кристаллов, - и в определяющем влиянии на эти параметры степени переохлаждения.
При изучении процесса кристаллизации необходимо иметь ввиду решающее значение реальной среды в формировании структуры литого металла, а также возможность искусственного воздействия на строение путём модифицирования.
Т е м а 2. Теория сплавов. Диаграммы состояния.
Сплавами называют вещества, полученные сплавлением двух или нескольких компонентов. Необходимо отчётливо представлять, что по характеру взаимодействия компонентов различают сплавы: механические смеси, твёрдые растворы, химические соединения, промежуточные фазы. Наглядное представление о состоянии любого сплава в зависимости о его состав и температуры дают диаграммы состояния. Нужно усвоить общую методику построения диаграмм состояния для различных случаев взаимодействия компонентов в твёрдом состоянии. При изучении диаграмм состояния уметь применять правило отрезков (для определения доли каждой фазы или структурной составляющей в сплаве), правило фаз (для построения кривых нагревания и охлаждения), правило концентраций (для определения химического состава фаз). Надо помнить, что диаграммы состояния позволяют решать вопрос о возможности или не возможности термообработки сплава, а также о температурах нагрева сплава для этой цели. С помощью правил Курнакова уметь установить связь между составом, строением и свойствами сплава.
Т е м а 3. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла. Механические свойства металлов.
При холодной пластической деформации металл упрочняется – наклёпывается. Это объясняется весьма значительными изменениями в макро-, микро- и субмикроструктуре металла, благодаря чему материал оказывается в неравновесном состоянии. Нагрев наклёпанного металла содействует уменьшению степени неравновесности тем больше, чем выше температура нагрева.
Необходимо знать сущность процессов, протекающих при нагреве деформированного металла – возврат, первичная рекристаллизация, собирательная (вторичная) рекристаллизация. Уяснить, как при этом изменяются механические и физико-химические свойства. Установить влияние состава сплава и степени пластической деформации на протекание рекристаллизационных процессов. Уметь назначить режим рекристаллизационного отжига. Иметь чёткое представление о его практическом значении. Уясните различие между холодной и горячей пластическими деформациями.
Механическими называют свойства материала, определяющие его сопротивление действию внешних механических нагрузок. Необходимо чётко представлять, как определяются и знать единицы измерения механических характеристик: прочности, пластичности, надёжности, хладноломкости, долговечности и т.д.
Т е м а 4. Железо и его сплавы. Диаграмма состояния Fe – C.
Необходимо знать диаграмму железо – углерод (карбид железа). Определять все фазы и структурные составляющие этой системы, а также построить с помощью правила фаз кривые охлаждения (или нагревания) для любого сплава; чётко разбираться в классификации железоуглеродистых сплавов и усвоить, что различие между тремя классами (техническое железо, сталь, чугун) не является формальным (по содержанию углерода). Разные классы сплавов принципиально различны по структуре и свойствам. Необходимо знать, что технические железоуглеродистые сплавы состоят не только из железа и углерода, но обязательно содержат постоянные примеси, попадающие в сплав в результате предыдущих операций при выплавке.
Изучите влияние легирующих элементов на критические точки железа и стали и объясните, при каком сочетании углерода и соответствующего легирующего элемента могут быть получены легированные стали ферритного, перлитного, аустенитного и ледебуритного классов.
Уясните влияние постоянных примесей на строение чугуна и разберитесь в различии металлической основы серых чугунов разных классов. Определите разницу между белым и серым чугунами. Изучите физическую сущность процесса графитизации.
Т е м а 5.Термическая и химико-термическая обработка стали. Поверхностное упрочнение металлов.
Термической называют обработку, связанную с нагревом и охлаждением металла с целью изменения его структуры и свойств. Теория и практика термической обработки стали – главные вопросы металловедения. Термическая обработка – один из основных способов влияния на строение, следовательно, и на свойства сплавов.
Особое внимание уделите диаграмме изотермического распада аустенита. Разберитесь в механике и особенностях перлитного, промежуточного и мартенситного превращений. Уясните строение и свойства перлита, сорбита, троостита, бейнита, мартенсита и особенно различие и сходство одноимённых структур, получаемых, при распаде аустенита и отпуске закалённой стали.
Изучите влияние легирующих элементов на кинетику и характер превращения аустенита в перлитной, промежуточной и мартенситной областях. Уясните влияние легирующих элементов на превращения при отпуске.
При изучении технологических процессов термической обработки особое внимание обратите на разновидности режимов и их назначения. Для выяснения причин брака при термической обработке стали, следует, прежде всего, разобраться в природе термических и фазовых напряжений.
Уясните различие между закаливаемостью и прокаливаемостью стали, а также факторы, влияющие на эти характеристики.
Надо помнить, что методов поверхностного упрочнения металлов и сплавов достаточно много. При изучении основ химико-термической обработки следует исходить из того, что принципы химико-термической обработки едины. Разберитесь в технологии проведения отдельных видов химикотермической обработки. Уясните преимущества и области использования цементации, азотирования, цианирования и различных видов диффузионной металлизации. Объясните влияния легирования на механизм формирования структуры поверхностного слоя.
Различные виды поверхностной закалки позволяют получить особое сочетание свойств поверхностного слоя и сердцевины, что приводит к повышению эксплуатационных характеристик изделия. Закалка при нагреве токами высокой частоты приводит к получению более высоких механических свойств, чем при обычном нагреве.
Рассмотрите сущность и назначения дробеструйного поверхностного наклёпа и его влияние на эксплуатационные свойства деталей машин.
Т е м а 6. Конструкционные и инструментальные материалы. Стали, чугуны, цветные сплавы. Специальные и неметаллические материалы.
Нужно усвоить принципы маркировки стали, и уметь по маркировке определить состав и особенности данной стали, а также иметь общее представление о разных группах стали.
Хорошо разбираться во влиянии легирующих элементов на изменение структуры и свойств стали, особое внимание уделите технологическим особенностям термической обработки, легированной стали различных групп.
Рассмотрите, способы классификации стали, по структуре в нормализованном состоянии и, что особенно важно по функциональному назначению для конкретных деталей конструкций. Надо понимать, что каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации.
Изучая классификацию инструментальных сталей в зависимости от применения инструмента, и в связи с этим рассмотрите основные эксплуатационные свойства инструмента каждой группы.
В разделе специальные сплавы изучите стали и сплавы, обладающие особыми физическими свойствами: магнитные с особенностями теплового расширения и электрического сопротивления, а также сплавы новой техники. Необходимо знать требования, предъявляемые к каждой группе сплавов, и их назначение.
При изучение цветных сплавов (алюминиевых, магниевых, медных, титановых, баббитов) усвойте принцип маркировки и классификации их. Разберитесь в основах термической обработки, в структуре для получения конкретных свойств для конкретных деталей.
При изучении неметаллических материалов необходимо прежде всего усвоить, что в основе неметаллических материалов лежат полимеры. Обратите внимание на особенности строения полимеров, которые определяют их механические и физико-химические свойства. Классификацию полимеров рассмотрите с учётом особенностей их состава и строения.
Рассматривая пластические массы, необходимо понять, что это искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ, которые являются обязательными компонентами пластмасс. Изучите различные группы пластических масс, их свойства и области применения.
При изучении керамических материалов обратите внимание на отличие технической керамики от обычной. Разберитесь в химическом и фазовом составах технической керамики, её свойствах и области применения.
Обратите внимание на принципиальное отличие композиционного материала, заключающееся в сочетании разнородных материалов с чёткой границей раздела между ними. В связи с тем, что композит обладает свойствами, которыми не может обладать ни один из его компонентов в отдельности, такие материалы становятся весьма перспективными в различных областях новой техники. Укажите свойства композитов в зависимости от вида матрицы и формы, размеров и взаимного расположения наполнителя.
Примечание.
• Вариант для выполнения расчётно-графической работы (РГР) выбирается по предпоследней и последней цифре персонального шифра студента в студенческом билете или в зачётной книжке.
• Диаграммы, указанные в РГР смотрите в приложении.
Таблица вариантов для РГР по материаловедению
| Предпоследняя цифра шифра | Последняя цифра шифра | |||||||||
Продолжение таблицы
| Предпоследняя цифра шифра | Последняя цифра шифра | |||||||||
Вопросы для расчётно-графической работы по материаловедению.
Тема 1.
1. Опишите явление транскристаллизации и его влияние на свойства слитка.
2. Опишите явление полиморфизма в приложении к железу, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для различных модификаций железа.
3. Опишите условия получения мелкозернистой структуры при самопроизвольно развивающейся кристаллизации (используя теорию Тамманна).
4. Что такое твёрдый раствор? Виды твёрдых растворов.
5. Опишите явление полиморфизма в приложении к титану.
6. Что такое переохлаждение и как оно влияет на структуру кристаллизующего металла? 7. Опишите влияние скорости охлаждения на величину зерна после кристаллизации.
8. Опишите условия образования неограниченных твёрдых растворов.
9. Что такое ликвация? Виды ликвации и причины её возникновения.
10. Охарактеризуйте особенности металлического типа связи.
11. Объясните механизм влияния различных модификаторов на строение литого слитка. 12. Опишите сущность и назначение процесса модифицирования.
13. Опишите физическую сущность процесса плавления.
14. Как влияет скорость охлаждения на строение кристаллизующего металла.
15. Опишите физическую сущность процесса кристаллизации.
16. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки магния (параметры, координационное число, плотность упаковки).
17. Опишите явление полиморфизма в приложении к цирконию, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки).
18. Объясните влияние модификаторов первой группы (дисперсных тугоплавких частиц).
19. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для алюминия.
20. Опишите влияние реальной среды на протекание процесса кристаллизации.
21. Объясните влияние модификаторов второй группы (поверхностноактивных веществ) на строение литого слитка.
22. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки ниобия (параметры, координационное число, плотность упаковки).
23. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки никеля (параметры, координационное число, плотность упаковки).
24. Опишите строение реального слитка и явления транскристаллизации.
25. Опишите строение слитка и явление транскристаллизации.
26. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки хрома (параметры, координационное число, плотность упаковки).
27. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки алюминия (параметры, координационное число, плотность упаковки).
28. Опишите основные типы химической связи.
29. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки ванадия (параметры, координационное число, плотность упаковки).
30. Опишите явление полиморфизма в приложении к титану, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для гексагональной модификации.
31. Как влияет модифицирование на строение и свойства литого металла? Объясните причину воздействия.
32. Опишите сущность эвтектической кристаллизации и структуру любого эвтектического сплава.
33. Опишите влияние скорости охлаждения на величину зерна после кристаллизации.
34. Опишите условия получения крупнозернистой структуры при самопроизвольно развивающейся кристаллизации (используя теорию Тамманна).
35. Опишите явление полиморфизма в приложении к кобальту, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для кубической модификации кобальта.
36. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки меди (параметры, координационное число, плотность упаковки).
37. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки бериллия (параметры, координационное число, плотность упаковки).
38. Опишите условия образования неограниченных твёрдых растворов.
39. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки золота (параметры, координационное число, плотность упаковки).
40. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для железа.
41. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки молибдена (параметры, координационное число, плотность упаковки).
42. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки вольфрама (параметр, координационное число, плотность упаковки).
43. Опишите явление полиморфизма в приложении к титану, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для кубической модификации титана.
44. Опишите явление полиморфизма в приложении к олову, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для тетрагональной модификации олова.
45. Опишите явление полиморфизма в приложении к железу, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для различных модификаций железа.
46. Опишите магнитное превращение в металлах. Приведите примеры.
47. Чем можно объяснить высокие электропроводность и теплопроводность металлов?
48. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки цинка (параметры, координационное число, плотность упаковки).
49. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки свинца (параметр, координационное число, плотность упаковки).
50. Постройте с применением правила фаз кривую для нагрева свинца.
51. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки бериллия (параметры, координационное число, плотность упаковки).
52. Опишите физическую сущность процесса плавления.
53. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки тантала (параметры, координационное число, плотность упаковки).
54. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки платины (параметры, координационное число, плотность упаковки).
56. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для алюминия.
57. Опишите явления полиморфизма в приложении к цирконию.
58. Опишите явление транскристаллизации и его влияние на свойства слитка.
59. Что такое твёрдый раствор? Виды твёрдых растворов.
60. Опишите условия образования неограниченных твёрдых растворов.
61. Опишите сущность и назначение процесса модифицирования.
62. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки магния (параметры, координационное число, плотность упаковки).
63. Опишите влияние реальной среды на протекание процесса кристаллизации.
64. Опишите строение реального слитка и явления транскристаллизации.
65. Опишите основные типы химической связи.
66. Опишите сущность эвтектической кристаллизации и структуру любого эвтектического сплава.
67. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки меди (параметры, координационное число, плотность упаковки).
68. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для железа.
69. Опишите явление полиморфизма в приложении к олову, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для тетрагональной модификации олова.
70. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки цинка (параметры, координационное число, плотность упаковки).
71. Опишите физическую сущность процесса плавления.
72. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для алюминия.
73. Опишите условия образования неограниченных твёрдых растворов.
74. Опишите явление полиморфизма в приложении к железу, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для различных модификаций железа.
75. Что такое переохлаждение и как оно влияет на структуру кристаллизующего металла?
76. Охарактеризуйте особенности металлического типа связи.
77. Как влияет скорость охлаждения на строение кристаллизующего металла.
78. Объясните влияние модификаторов первой группы (дисперсных тугоплавких частиц).
79. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки ниобия (параметры, координационное число, плотность упаковки).
80. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки хрома (параметры, координационное число, плотность упаковки).
81. Опишите явление полиморфизма в приложении к титану, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для гексагональной модификации.
82. Опишите условия получения крупнозернистой структуры при самопроизвольно развивающейся кристаллизации (используя теорию Тамманна).
83. Опишите влияние скорости охлаждения на величину зерна после кристаллизации.
84. Опишите физическую сущность процесса плавления.
85. Опишите физическую сущность процесса кристаллизации.
86. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для алюминия.
87. Объясните влияние модификаторов второй группы (поверхностноактивных веществ) на строение литого слитка.
88. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки никеля (параметры, координационное число, плотность упаковки).
89. Опишите строение слитка и явление транскристаллизации.
90. Опишите основные типы химической связи.
91. Как влияет модифицирование на строение и свойства литого металла? Объясните причину воздействия.
92. Опишите магнитное превращение в металлах. Приведите примеры.
93. Чем можно объяснить высокие электропроводность и теплопроводность металлов?
94. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки меди (параметры, координационное число, плотность упаковки).
95. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки молибдена (параметры, координационное число, плотность упаковки).
96. Что такое ликвация? Виды ликвации и причины её возникновения.
97. Что такое твёрдый раствор? Виды твёрдых растворов.
98. Опишите явление полиморфизма в приложении к железу, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для различных модификаций железа.
99. Опишите явление полиморфизма в приложении к олову, а также строение и основные характеристики кристаллической решётки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для тетрагональной модификации олова.
100. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки хрома (параметры, координационное число, плотность упаковки).
Тема 2
101. Вычертите диаграмму состояния системы олово – цинк. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твёрдом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правила Курнакова.
102. Вычертите диаграмму состояния системы свинец - сурьма. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твёрдом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правила Курнакова.
103. Вычертите диаграмму состояния системы алюминий – германий. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твёрдом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правила Курнакова.