- •Материаловедение: практикум
- •Введение
- •1. Рекомедации к Самостоятельному изучению основных разделов дисциплины
- •2. Домашняя работа «анализ двойных диаграмм»
- •5. Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения.
- •7. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением.
- •ДомашнЯя работа «Контрольная работа по материаловедению»
- •4. Методические указания к лабораторным работам
- •4.1. Лабораторная работа №1 Микроскопический анализ металлов
- •1. Содержание работы
- •1.2. Микроанализ
- •1.3. Приготовление микрошлифа
- •1.4. Микроскопы металлографические
- •1.5. Проведение испытаний
- •1.6. Влияние размера зерна поликристаллических материалов на их механические свойства
- •1 − Мелкое зерно (0,04 мм); 2 − крупное зерно (0,09 мм)
- •2. Порядок выполнения работы
- •2.1. Подготовка микроскопа к визуальному наблюдению
- •2.2. Определение цены деления
- •2.3. Определение величины зерна стали
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе Микроскопический анализ металлов
- •5. Задание для самостоятельной работы студентов
- •4.2. Лабораторная работа №2 «Изучение процесса кристаллизации»
- •1. Содержание работы
- •1.1. Теоретические основы процесса кристаллизации металлов
- •1.2. Кристаллизация солей
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе Изучение процесса кристаллизации
- •4.3. Лабораторная работа №3
- •1. Содержание работы
- •1.1. Теоретические основы
- •1.2. Построение диаграммы состояния
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе Построение диаграммы состояния «Свинец – олово» термическим методом
- •5. Задание для самостоятельной работы студентов
- •1. Содержание работы
- •1.1. Фазы и структуры диаграммы «Железо – цементит»
- •1.2. Классификация железоуглеродистых сплавов
- •1.3. Влияние концентрации углерода на свойства железоуглеродистых сплавов
- •1.4. Структура и свойства железоуглеродистых сплавов
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе Микроструктура железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии
- •5. Задание для самостоятельной работы студентов
- •4.5. Лабораторная работа № 5 Термическая обработка стали
- •1. Содержание работы
- •1.1. Основные виды термической обработки стали и их назначение
- •1.2. Процессы нагрева стали
- •1.3. Процессы охлаждения стали
- •1.4. Превращение аустенита при отжиге
- •1.5. Превращение аустенита при нормализации
- •1.6. Превращение аустенита при закалке
- •1.7. Влияние температуры отпуска на структуру стали
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе Термическая обработка стали
- •5. Задание для самостоятельной работы студентов
- •4.6. Лабораторная работа № 6
- •1. Содержание работы
- •1.2. Влияние температуры отпуска на превращение мартенсита закалки
- •1.3. Влияние температуры отжига на структуру и свойства стали
- •1.4. Влияние температуры закалки на структуру и свойства стали
- •1.5. Влияние температуры отпуска на структуру и свойства стали
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе №6
- •Библиографический список
- •ПриложениЯ
- •Задание №10–д
ПриложениЯ
п.1. Оформление титульного листа домашнего
зАдания
П.2. Пример выполнения домашнего задания
«Анализ двойных диаграмм»
Задание №10–д
1. Общий анализ диаграммы состояния системы «Ti – W».
2. Для сплава, содержащего 40 % W:
описать процесс кристаллизации при очень медленном охлаждении и, пользуясь правилом фаз, построить кривую охлаждения с указанием фазовых превращений на всех участках кривой;
указать, из каких фаз будет состоять сплав при температуре 1200 °С, состав фаз и их количество (вес) на 1 килограмм сплава.
Общий анализ диаграммы.
Титан и вольфрам неограниченно растворяются в жидком состоянии, образуя неограниченный жидкий раствор Ж. В твёрдом состоянии они растворяются друг в друге ограниченно, образуя три ограниченных твёрдых раствора: α-твёрдый раствор в α-модификации титана, β-твёрдый раствор вольфрама в β-модификации титана и γ-твёрдый раствор титана в вольфраме. Химических соединений титан и вольфрам не образуют.
В системе «Титан – вольфрам» протекают два нонвариантных превращения: перитектическое и эвтектоидное.
При температуре 1880 °С протекает перитектическая реакция, заключающаяся в том, что жидкий раствор Ж, содержащий 25 % вольфрама, взаимодействует с ранее выпавшими из него кристаллами γ-твёрдого раствора, содержащего 92 % вольфрама, в результате чего образуется новая фаза – кристаллы β-твёрдого раствора, содержащие 50 % вольфрама:
При температуре 715 °С протекает эвтектоидное превращение, при котором β-твёрдый раствор, содержащий 28 % вольфрама, распадается в смесь α-твёрдого раствора, содержащего 0,8 % вольфрама, и γ-твёрдого раствора, содержащего 96 % вольфрама:
2. Описание процесса кристаллизации сплава с 40 % вольфрама.
При температурах выше 2350° сплав находится в жидком состоянии и состоит из одной фазы – жидкого раствора Ж. На этом участке охлаждения в сплаве не происходит никаких фазовых превращений, наблюдается простое физическое охлаждение жидкого раствора. Система бивариантна: ,где.
При достижении температуры 2350 °С в сплаве начинается процесс первичной кристаллизации, который состоит в том, что из жидкого раствора будут выпадать первичные кристаллы γ-твёрдого раствора (Ж → γ). Этот процесс является моновариантным: ,
где , сопровождается выделением тепла и идёт в интервале температур. На кривой охлаждения при температуре 2350 °С будет наблюдаться перегиб. Выпадениеγ-твёрдого раствора из жидкого раствора будет продолжаться до температуры 1880 °С, при этом состав жидкого раствора будет изменяться по отрезку линии ликвидус от точки 1 к точке 2', а состав кристаллов γ-твёрдого раствора – по отрезку линии солидус от точки 1'' к точке 2". К моменту достижения сплавом температуры 1880 °С он состоит из первичных кристаллов γ-твёрдого раствора и жидкого раствора.
При температуре 1880° в сплаве будет протекать перитектическое превращение: жидкий раствор будет взаимодействовать с кристаллами γ-твёрдого раствора, в результате чего будут образовываться кристаллы β-твёрдого раствора:
Это превращение нонвариантно: , где, поэтому идёт при постоянной температуре и указанных концентрациях фаз. На кривой охлаждения температуре 1880 °С будет соответствовать горизонтальная площадка. Поскольку в сплаве жидкого раствора больше, чем необходимо для перитектического превращения, сплав в момент окончания превращения (точка 2' на кривой охлаждения – рисунок) будет состоять из кристалловβ-твёрдого раствора и остатка жидкого раствора.
При охлаждении от 1880 °С до 1820 °С остаток жидкого раствора будет кристаллизоваться в β-твёрдый раствор. Превращение моновариантно: , где, сопровождается выделением тепла и идёт в интервале температур, при этом состав жидкого раствора будет изменяться по линии ликвидус от точки 2' до точки 3' (см. рисунок), а состав кристалловβ-твёрдого раствора – по линии солидус от точки 2'" до точки 3. К моменту достижения температуры 1820° сплав состоит только из кристаллов β-твёрдого раствора.
В интервале температур 1820 °С до 1500 °С ни каких фазовых превращений в сплаве не происходит, идёт простое физическое охлаждение ненасыщенного β-твёрдого раствора. Система бивариантна: ,где) и при температуре 1820 °С на кривой охлаждения будет перегиб.
При температуре 1500 °С β-твёрдый раствор достигнет предела насыщения и в связи с тем, что при дальнейшем понижении температуры растворимость вольфрама в титане понижается, β-твёрдый раствор становится пересыщенным и избыток вольфрама выделяется из него со вторичными кристаллами γ-твёрдого раствора ().
Рис. Диаграмма состояния системы «Ti – W» и кривая охлаждения сплава с 40 % W.
Состав β-твёрдого раствора будет изменяться по линии сольвус от точки 4 к точке 5'''. В связи с понижением растворимости титана в вольфраме γ-твёрдого раствора будут выпадать вторичные кристаллы β-твёрдого раствора (). Составγ-твёрдого раствора будет меняться по другой линии сольвус от точки 4'' к точке 5". Сплав моновариантен: где, процессы идут в интервале температур, а на кривой охлаждения при 1500 °С будет перегиб.
К моменту достижения сплавом температуры 715 °С его структура состоит из кристаллов β-твёрдого раствора, образовавшегося в результате перитектического превращения при 1860 °С, и тех кристаллов β-твёрдого раствора, в которые закристаллизовался остаток жидкого раствора в интервале 1880 °С – 1820 °С. Кроме того, в структуре сплава будут вторичные кристаллы γ- и β-твёрдых растворов, выпавшие в интервале 1500 °C –715 °C. При температуре 715 °С в сплаве будет протекать эвтектоидное превращение: β-твёрдый раствор будет распадаться в смесь кристаллов
α- и γ-твёрдых растворов:
Эвтектоидное превращение нонвариантно: , где, идёт при постоянной температуре 715 °С и указанных концентрациях фаз и поэтому температуре 715 °С на кривой охлаждения будет соответствовать горизонтальная площадка. В момент окончания эв-тектоидного превращения (точка 5' на кривой охлаждения – рисунок) структура сплава будет состоять из вторичных кристалловγ-твёрдого раствора и эвтектоида
При дальнейшем охлаждении ниже 715 °С вследствие понижения растворимости вольфрама в титане из α-твёрдого раствора будут выпадать третичные кристаллы γ-твёрдого раствора и состав его будет изменяться по линии сольвус от точки 5' до точки 6' (см. рисунок), а вследствие понижения растворимости титана в вольфраме из γ-твёрдого раствора будут выпадать вторичные кристаллы α-твёрдого раствора.
Ниже 715 °С сплав моновариантен: и состоит из двух фаз (α- и γ-твердые растворы). Описанные процессы (сопровождаются выделением тепла и идут в интервале температур.
Так как после эвтектоидного превращения в сплаве нет структурно самостоятельных кристаллов α-твёрдого раствора, а есть лишь мелкие кристаллы α-твёрдого раствора, входящие в состав эвтектоида и при средних увеличениях невидимые в микроскоп, то выпадающие из них еще более мелкие третичные кристаллы γ-твёрдого раствора тем более не будут видны; они останутся внутри эвтектоида и сольются с эвтектоидными кристаллами γ-твёрдого раствора.
Таким образом, окончательная структура сплава будет состоять из вторичных кристаллов γ-твёрдого раствора, эвтектоида и вторичных кристаллов α-твёрдого раствора:
3. Определение состава и количества фаз на 1 килограмм сплава.
При температуре 1200° сплав с 40 % вольфрама:
состоит из двух фаз: (β-твёрдого раствора и γ-твёрдого раствора;
β-твёрдый раствор содержит 34 % W и 66 % Ti;
γ-твёрдый раствор содержит 95 % W и 5 % Ti;
вес β-твёрдого раствора: ;
вес γ-твёрдого раствора: .
Для выработки навыка разбора процессов, происходящих при охлаждении конкретного сплава, необходимо обязательно выполнение следующих действий: строить кривую охлаждения разбираемого сплава; против участков кривой охлаждения схематично изображать состояние фаз (структуру) сплава; письменно объяснять процесс, происходящий в сплаве при рассматриваемых температурных условиях.
П.3. Диаграмма «Железо – азот»
П.4. Диаграмма «Медь – бериллий»
П.5. Диаграмма «Медь – алюминий»
СОДЕРЖАНИЕ
|
Введение |
3 |
1. |
Методические указания к самостоятельному изучению основных разделов дисциплины |
4 |
|
1.1. Строение металлов |
4 |
|
1.2 Кристаллизация и структура металлов и сплавов |
4 |
|
1.3. Механические свойства материалов |
5 |
|
1.4. Диаграммы состояния сплавов |
6 |
|
1.5. Диаграмма «Железо-углерод (цементит)» |
7 |
|
1.6. Железоуглеродистые сплавы |
7 |
|
1.7. Теория и практика термической обработки углеродистых сталей |
8 |
|
1.8.Закалка и отпуск углеродистых сталей |
9 |
|
1.9. Легированные стали |
9 |
|
1.10. Упрочнение сплавов |
10 |
|
1.11. Конструкционные стали |
11 |
|
1.12. Коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы |
12 |
|
1.13. Инструментальные стали |
13 |
|
1.14. Твердые сплавы, режущая керамика, сверхтвердые и абразивные материалы |
13 |
|
1.15 Титановые и медные сплавы |
14 |
|
1.16. Алюминиевые и магниевые сплавы |
14 |
|
1.17. Неметаллические материалы |
15 |
2. |
Домашнее задание «Анализ двойных диаграмм» |
17 |
|
2.1. Методические указания по выполнению домашнего задания «Анализ двойных диаграмм» |
17 |
|
2.2. Цели и задачи изучения диаграмм состояния |
17 |
|
2.3. Правило фаз |
18 |
|
2.4. Правило отрезков |
19 |
|
2.5. Общий обзор диаграмм состояния сплавов |
20 |
|
2.6. Описание диаграммы состояния сплава |
25 |
|
2.7. Построение кривой охлаждения заданного сплава и описание процесса кристаллизации |
27 |
|
2.8. Анализ состояния сплава при заданной температуре |
30 |
|
2.9. Варианты заданий для домашнего задания «Анализ двойных диаграмм» |
31 |
3. |
Домашнее задание «Теория и практика материаловедения» |
42 |
|
2.1. Методические указания по выполнению домашнего задания |
42 |
|
2.2. Варианты заданий для домашнего задания «Теоретические вопросы материаловедения» |
43 |
|
2.3. Варианты заданий для домашнего задания «Выбор материала и способа его упрочнения с учетом производственного назначения детали» |
55 |
4. |
Методические указания к лабораторным работам |
70 |
|
4.1. Лабораторная работа №1 «Микроскопический анализ сталей» |
70 |
|
4.2. Лабораторная работа №2 «Изучение процесса кристаллизации» |
83 |
|
4.3. Лабораторная работа №3 «Построение диаграммы состояния «Свинец – олово» термическим методом» |
92 |
|
4.4. Лабораторная работа №4 «Микроструктура железоуглеродистых сплавов» |
103 |
|
4.5. Лабораторная работа №5 «Термическая обработка стали» |
116 |
|
4.6. Лабораторная работа №6 «Микроструктуры термически обработанных сталей» |
126 |
5. |
Библиографический список |
133 |
6. |
Приложения |
134 |
|
П.1. Пример оформления титульного листа |
134 |
|
П.2. Пример выполнения домашнего задания ««Анализ двойных диаграмм» |
135 |
|
П.3. Диаграмма «Железо – азот» |
140 |
|
П.4. Диаграмма «Медь – бериллий» |
141 |
|
П.5. Диаграмма «Медь – алюминий» |
142 |
|
Содержание |
|