Опишите строение и основные характеристики решетки циркония (параметры, координационное число, плотность упаковки)

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Материаловедение»

 

Направление подготовки

22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов»

Диаграмма состояния железо-цементит

Вариант №

 

Пояснительная записка

 

ОГУ 22.03.01. 3019. 013 ПЗ

 

Руководитель канд. техн.наук, доцент       О.А. Клецова подпись   инициалы фамилия   «___»___________________ 2019г.   Студент группы 18МТМ(ба)ММаш     Д.Е. Сулаков подпись   инициалы фамилия   «___» __________________ 2019г.

Орск 2019 год

Содержание

1  Опишите строение и основные характеристики решетки циркония (параметры, координационное число, плотность упаковки)…………………3

2 Вычертить диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600^о С для сплава содержащего 1,6 % С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз (с применением правила фаз)………………………………..5

3 Объясните различия между холодной и горячей пластической деформацией.…………………………………8

4  Вычертите диаграмму состояния системы магний-кальций. Укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния……..10

5  Объемная закалка сталей. Способы закалки.……………………………...11

6 Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится сталь или сплав по назначению: У10, 11ОГ14МЛС, 35Х19Н9МВБТ, ВЧ 40-10, СЧ 24-44

 

Опишите строение и основные характеристики решетки циркония (параметры, координационное число, плотность упаковки)

Цирконий- химический элемент побочной подгруппы четвертой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 40. Обозначается символом Zr (лат. Zirconium ). Простое вещество цирконий -блестящий металл серебристо-серого цвета. Главное применение находит в металлургии.

Структура. Цирконий существует в трех кристаллический модификациях, α, β и ω:

· α-Zr — гексагональная сингония, пространственная группа P63/mmc, параметры ячейки a = 0,3231 нм, c = 0,5146 нм, Z = 2, d = 6,5107 г/см3 с плотноупакованной решёткой типа магния.

· β-Zr — кубическая сингония (объёмно-центрированная решётка), пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,361 нм, Z = 2 с решёткой типа α-Fe. Переход α β происходит при 863 °C, ΔH перехода 3,89 кДж/моль. Добавки Al, Sn, Pb, Cd повышают, а Fe, Cr, Ni, Mo, Cu, Ti, Mn, Co, V и Nb понижают температуру перехода.

· ω-Zr — возникающая при высоких давлениях метастабильная гексагональная фаза, которая не является плотноупакованной и имеет три атома на элементарную ячейку.

Рис. 1 – Структура кристаллической решетки циркония

 

В объемно-центрированной кубической ячейке атомы располагаются по вершинам и в центре ячейки, т.е. на одну ячейку приходится два атома. ОЦК-структура не является плотневшей упаковкой атомов.

Координационное число (К) - указывает на число атомов, располо-женных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке (для циркония К = 12; K = 8).

Базисрешетки - количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки (для циркония 17).

Плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – это отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему решетки. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки молибдена – 0,74).

 

2. Вычертить диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600 оС для сплава содержащего 1,6 % С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз (с применением правила фаз).

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит+ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выдел пня цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате   одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита.

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

По структуре стали различаются на доэвтектоидные (от 0,02%-0,8% С), эвтектоидные (0,8%С) и заэвтектоидные (0,8% - 2,14%С). Чугуны по структуре различаются на доэвтектические (от 2,14%-4,3%С), эвтектические (4,3%С) и зазвтектические (4,3% - 6,67%С).

Сплав, содержащий 1,6% С, является заэвтектоидной сталью.

Сплавы, содержащие 1.6% С, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями ВС и J Е. Ниже липни ВС сплавы состоят из жидкой фазы и аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус, а аустенита — по линии солидус. После затвердевания (ниже линии солидус J Е) сплавы получают однофазную структуру - аустенит.

При температуре, определяемой линией SE предельной растворимости углерода в аустените в сплаве начинается выделение из аустенита вторичного цементита, сплав становится двухфазным (аустенит + вторичный цементит). По мере выделения цементита концентрация углерода в аустените сплава уменьшается согласно линии SE.

При температуре 727 ºC аустенит, содержащий 0,8 % C (точка S), превращается в перлит.

После охлаждения сплав будет состоять из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита или в виде игл, ориентированных определённым образом.

       Определим для заданного сплава при температуре 1350 ºС состав фаз. Для определения состава фаз, лежащего между линиями ликвидус и солидус, нужно провести через данный температурных уровень линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус.

Тогда проекция точки пересечения этой линии с ликвидусом (точка f) на ось концентрации укажет количество углерода в жидкой фазе (т.е. 2,6% С), точка пересечения с линией солидус (k)- в составе твердой фазы (0,9% С).

Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводим также горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Если массу сплава считать равной единице (или 100%) и изображать отрезком kmf, то масса кристаллов в точке m у данного сплава равна (в %) отношению

Количество жидкости при данной температуре и содержании углерода 4,1% равно

.

Отношение количества твердой и жидкой фаз определяется соотношением

.