Контрольная работа по «Материаловедению»

Задание 1.

Классифицировать, расшифровать марку и охарактеризовать область применения сплава Г13Л.

         Ответ. 
         Сплав Г13Л представляет собой легированную сталь для отливок с особыми свойствами.

С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0,9÷1,4	0,8÷1	11,5÷15	до 1	до 0,05	до 0,12	до 1	до 0,3

 
Химический состав в % материала Г13Л – табл. 1.

По химическому составу сплав Г13Л является легированной сталью, т.к. содержит легирующие добавки, такие как: марганец Mn, кремний Si, никель Ni, хром Cr. 
         В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов: 
Si (1%) + Mn (15%) + Ni (1%) + Cr (1%) ≈ 18 % - легирующих примесей. 
Сталь Г13Л высоколегированная, т.к. процент легирующих примесей более 10%. 
        Сталь Г13Л относится к группе высокомарганцовистых, т.к. содержит большой процент легирующего элемента – марганца Mn (11,5÷15%).

По структурному составу в нормализованном состоянии легированная сталь Г13Л относится к аустенитному классу, т.к. имеет высокое содержание легирующих элементов. Структура этой стали после литья состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Mn)3C. Выделяющиеся по границам зерен карбиды снижают вязкость и прочность стали. Поэтому литые изделия подвергают закалке до 1100°С и охлаждают в воде. При таком нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалки приобретает более устойчивую аустенитную структуру с твердостью по Бринеллю НВ=180÷220.

По назначению сталь Г13Л относится к сплавам с особыми свойствами, применяется для литья. Главное свойство стали Г13Л – износоустойчивость.

 

Расшифровка марки стали Г13Л.

Г13Л – высокомарганцовистая литая сталь с особыми свойствами. 
- буква «Л» обозначает, что сталь литая; 
- содержит углерод С = 1,1 %; 
- марганец Mn = 13 %; 
- кремний Si = 0,5 %.

Характеристика области применения сплава Г13Л.

Применение: тяжелонагруженные детали, работающие под действием статических и высоких динамических нагрузок, от которых требуется износостойкость. 
         Благодаря высокой износостойкости марганцовистой стали, ее начали применять для изготовления тех деталей, которые в процессе эксплуатации истираются при значительном удельном давлении: рельсовых крестовин, щек дробилок, шаров шаровых мельниц, гусеничных трапов и т.п. 

 

Задание 2.

Зарисовать, соблюдая масштаб, диаграмму состояния сплавов системы «Магний-Германий» и выполнить следующее: 
        а) установить тип данной диаграммы; 
        б) определить структурный и фазовый состав всех областей и отразить его соответствующими буквенными обозначениями на диаграмме; 
        в) определить положение сплава с содержанием второго компонента – Германия Ge = 20% на диаграмме состояния; 
        г) определить число степеней свободы сплава в его критических точках и в температурных интервалах между критическими точками по правилу фаз Гиббса и построить кривую охлаждения этого сплава в координатах температура-время; 
        д) определить для температуры сплава 700°C состав фаз и весовое соотношение фаз; 
        е) охарактеризовать структуру заданного сплава при комнатной температуре.

Ответ. 
       Диаграмма состояния сплавов системы «Mg-Ge» представлена на рисунке 1.

                                    а)                                                                  б)

Рис.1 - Диаграмма состояния «Mg-Ge» (а) и кривая охлаждения сплава, содержащего 20 % компонента Ge.

а) Данная диаграмма состояния является диаграммой состояния IV рода: изображает состояние сплавов, компоненты которой неограниченно растворены в жидком состоянии, т.е. образуют однородный жидкий раствор, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют устойчивое химическое соединение.

б) В данном сплаве компоненты химически реагируют друг с другом, образуя химическое соединение Mg2Ge. Это соединение представляет собой новую фазу и имеет соответствующую однородную область на диаграмме состояний линию - СF. Линия химического соединения проходит через точку F, соответствующую содержанию компонента Ge в Mg2Ge и разделяет общую диаграмму Mg - Ge на две независимые части: Mg -Mg2Ge и Mg2Ge - Ge, каждую из которых можно рассматривать отдельно и для каждой из них соединение Mg2Ge играет роль «компонента». 
           Обозначим точки диаграммы состояния большими буквами латинского алфавита и получим линии, которые делят поле диаграммы состояния на области. 
ABCDE – линия ликвидус, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии.  
ABDE – линия солидус, ниже которой сплавы находятся в твердом состоянии.

В системе образуется одно промежуточное соединение – Mg2Ge, плавящееся конгруэнтно при температуре 1115°С и образующее эвтектики с исходными элементами. Эвтектика (Mg)+ Mg2Ge имеет место при температуре 635°С и содержании 2,6% (ат.) Ge. Другая эвтектика (Ge)+Mg2Ge образуется при температуре 680°С и содержании 40 % (ат.) Mg. 
 Однофазные области этой диаграммы:

1) жидкость Ж – выше линии ликвидус ABCDE;

2) компонент  Mg – линия 0-А;

3) компонент Ge  – линия 100-Е;

4) химическое соединение Mg2Ge – линия СF.

Выше линии ликвидус ABCDE все сплавы представляют собой однородный жидкий раствор (однофазная область).

Между линиями ликвидус ABCDE и солидус ABDE протекает процесс кристаллизации сплавов: из жидкого раствора выделяются кристаллы твердой фазы (двухфазные области). 
 Между точками B и D образуется эвтектика, которая представляет собой мелкодисперсную смесь α- и β-фаз, одновременно кристаллизующихся из жидкого раствора, т.е. одновременно существуют три фазы.

Структурные составляющие сплавов этой системы и их области на диаграмме: 
        1) кристаллы Mg – линия 0-А;

2) кристаллы Ge – линия 100-Е;

3) кристаллы Mg2Ge линия СF;

4) эвтектика эвт1(Mg + Mg2Ge) линия ВВ´;

5) эвтектика эвт2(Mg2Ge + Ge) линия DD´. 
 Фазовый и структурный состав областей диаграммы состояния показан на рисунке 1.

 

в) Заданный для анализа сплав содержит 20% второго компонента Ge и находится при температуре 922°С. Его фазовый состав будет определяться положением точки «а», которая называется конфигуративной точкой и находится на пересечении вертикальной линии, проходящей через точку 20% на оси концентраций, и изотермы 922°С. Эта точка попадает в двухфазную область Ж+(Mn), т.е. сплав находится в процессе кристаллизации.

 

г) Для построения кривой охлаждения заданного сплава проводим через

точку «а» вертикальную линию (I-I) и находим точки пересечения с линиями диаграммы состояния (критические точки). 
 Определяем число степеней свободы для каждого участка в соответствии с правилом фаз Гиббса:

С = К – Ф +1,

где С – число степеней свободы системы, показывающее количество внешних и внутренних факторов (температура, концентрация), которые могут изменяться без нарушения равновесного состояния системы;  
                К – число компонентов сплава, К = 2; 
                Ф – количество фаз. 
Участок 0 – 1, система однофазная (Ж): С = 2 – 1 +1 = 2.  
Участок 1 – 2, система двухфазная (Ж + Mg2Ge ): С = 2 – 2 + 1 = 1. 
В точке 2 начнет кристаллизоваться эвтектика, состоящая из Mg- и Ge- фаз, т.е. система будет трехфазная (Ж + Mg + Ge) пока не исчезнет жидкая фаза в точке 2': С = 2 – 3 + 1 = 0. 
Участок 2' – 3, система будет оставаться двухфазной, хотя состав фаз будет меняться с уменьшением растворимости компонентов сплава друг в друге с понижением температуры: С = 2 – 2 + 1 = 1.  
Вид кривой охлаждения представлен на рисунке 1.

д) Для определения состава фаз и их количества воспользуемся правилом отрезков, которое заключается в следующем. Через конфигуративную точку «b» температуры 700°С проводят коноду – горизонтальную линию до пересечения с линиями диаграммы состояния, ограничивающими данную область. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз. Длины отрезков коноды между точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз. 
 В нашем случае конода пересекает линии диаграммы в точке «с», «d» . Точка «с» указывает фазу Ж (жидкость). Точка «d» указывает фазу химическое соединение Mg2Ge. В точке «b» сплав имеет фазовый состав Ж+Mg2 Ge. 
Химический состав фаз определяется по проекциям отмеченных точек на ось концентраций: 
1) в фазе Ж (точка с) содержится 21,5% Mg2 Ge; 
2) в фазе Mg2 Ge (точка d) содержится 100% Mg2 Ge; 
           Относительное количество фаз определяется следующим образом:

Qж =  
Q2 =

где bd, cb и cd – длины соответствующих отрезков в мм.

е) При комнатной температуре структура сплава будет соответствовать точке 3, т.е. структура сплава представляет собой смесь фазы компонента Mg, вторичных кристаллов фазы компонента Ge и эвтектики (доэвтектический сплав) Mg2 Ge.

 

Задание 3.

Зарисовать данную вариантом кривую растяжения в координатах «усилие - удлинение » и выполнить следующее: 
         а) преобразовать в диаграмму с относительными координатами «напряжение - относительная деформация »; 
        б) по преобразованной диаграмме определить следующие механические свойства: - модуль упругости, или - предел текучести, - предел прочности, - относительное удлинение.

Вариант 10 (Сталь 45)

Номера точек на кривой		1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F, кН	16,20	16,875	18,90	21,825	25,20	26,55	27,45	26,10
	Δl, мм	0,15	0,8	2,4	4	6,4	8,8	10,4	12,8

 

 

 

Координаты точек на диаграмме «усилие

- удлинение » - табл.2

 

Рис. 2 – Диаграмма кривой растяжения «усилие - удлинение ». 
         Ответ. 
         а) Чтобы преобразовать диаграмму « - » в диаграмму « » необходимо для ряда точек на первичной кривой определить координаты      « » и « ». Затем данные по усилию « » разделить на площадь исходного поперечного сечения образца ( мм2), а по удлинению « » разделить на исходную длину ( мм):

                       , [кН/мм2, МПа]              

По данным формулам вычисляем координаты точек на диаграмме «напряжение - относительная деформация ». Полученные данные сводим в таблицу 3. 

Номера точек на кривой		1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек		0,36	0,375	0,42	0,485	0,56	0,59	0,61	0,58
		0,002	0,01	0,03	0,05	0,08	0,11	0,13	0,16

 
Координаты точек на диаграмме ««напряжение - относительная деформация »  - табл.3

По полученным данным строго в масштабе построим кривую в координатах « ». Диаграмма кривой растяжения «напряжение - относительная деформация » изображена на рисунке 3.  
 
Рис. 3 – Диаграмма кривой растяжения «напряжение - относительная деформация ».

 

б) Диаграмма растяжения (рис.3) состоит из трех участков: упругой деформации (прямолинейный участок до точки 1) , равномерной пластической деформации (участок 1-7) и сосредоточенной деформации шейки образца (участок 7-8). 
         Прямолинейный участок упругой деформации характеризует жесткость материала. Чем меньшую упругую деформацию претерпевает материал под действием нагрузки, тем выше его жесткость, которая характеризуется модулем упругости:

,  

 

Модуль упругости структурно нечувствительная характеристика, определяется силами межатомного взаимодействия в кристаллической решетке и является константой материала. 
По данной формуле определяем модуль упругости:

=1,8×105 .

По этой диаграмме определяются следующие механические характеристики материала:

s0,2 - предел текучести - практически горизонтальный участок диаграммы, следующий за пределом текучести называется площадкой текучести.

 

s0,2= 16,2/ 45=0,36 кН/мм2 = 360 МПа 

σв - предел прочности (временное сопротивление разрыву)- напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. На условной диаграмме является высшей точкой:

 

σв = Fmax / S 

σв = 27,45/ 45=0,61 кН/мм2= 610 МПа

 

d - относительное удлинение после разрыва представляет собой отношение приращения расчетной длины образца к его первоначальной длине, выраженное в процентах:

 

%

где ℓ0 и ℓк - первоначальная и конечная (после разрушения) длина образца.

Не имея образца, относительное удлинение можно примерно оценить по диаграмме. Для этого из конечной точки кривой, соответствующей моменту разрушения образца, проводим прямую, параллельную прямолинейному участку диаграммы. Отрезок абсциссы, отсеченной этой прямой, будет соответствовать конечному относительному остаточному удлинению образца eк. Этот результат нужно выразить в процентах:

 

%

%=15,7%

 

Задание 4.

Зарисовать схематично данные вариантом структуры стали и чугуна и выполнить следующее: 
        а) определить и соответственно обозначить на рисунке его фазовые и структурные составляющие; 
        б) дать полную характеристику этих составляющих; 
        в) классифицировать данные сталь и  чугун