Материаловедение 1 курс

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агенство по образованию

ФГАОУ ВПО "УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина"

Заочный факультет индивидуального обучения

Кафедра конструкционного материалловедения

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: Механические свойства металлов и сплавов

Научный руководитель ____________

Студент Шадрин А. Е.

Екатеринбург

2015

енгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсмитьбюйцукенгшщзхъчсмитьбюйцукенгшщзхъфывапролджэячсукенгшщзхъфывапролджэячс

ВВЕДЕНИЕ

Специальные стали - это сплавы, полученные на основе железа, отличающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обусловленными либо их химическим составом, либо способом обработки.

К легирующим элементам относятся специально вводимые в сталь химические элементы для получения требуемых строения, структуры, физико- химических или механических свойств.

Содержание легирующих элементов может колебаться от тысячных долей процента до десятков процентов.

Одни и те же элементы могут быть в стали примесями или легирующими добавками. Это зависит от их содержания и роли, которую они играют в стали.

Легированные стали являются сплавами, полученными на основе железа, в которые специально введены легирующие элементы, придающие сталям определенную структуру или свойства.

Понятие специальные стали шире, чем легированные, так как к ним можно отнести и углеродистые, и легированные стали с особыми свойствами.

Специальные стали - это стали, имеющие определенное назначение, качество и структуру.

К специальным сталям относят качественные конструкционные, инструментальные, термически упрочненные, жаропрочные, жаростойкие, коррозионно-стойкие, криогенные, кавитационно-стойкие и др.

Все легирующие элементы оказывают влияние на критические точки стали. В связи с чем выделяют группу элементов (Ni, Mn, Co, Pd, PI, С, N, Си, Zn), расширяющие γ-область (аустенито - образующие) и группу элементов (Al, Si, V, Cr, Mo, WE, Ti, As, Sn, Sb), расширяющие α-область (ферритообразующие).

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали могут иметь различные структуры, соответственно которым их относят к перлитным, мартенситным, бейнитным, аустенитным, ферритным, ледебуритным.

Стали перлитного и бейнитного класса бывают углеродистыми и низколегированными, мартенситного класса - высоколегированными и легированными, ферритного и аустенитного класса - высоколегированными.

Расчёт предела текучести стали 05Г2СМБ

Вариант 2

На основании исследования микроструктуры и механических свойств низколегированной стали 05Г2СМБ, а также литературных данных установить параметры ответственные за формирование конструктивной прочности.

Химический состав исследуемой стали, масс.%

C	Mn	Si	S	P	Nb	Ti	Cu	Ni	Cr	Al	B	Mo	N
0,05	1,87	0,1	0,004	0,007	0,024	0,019	0,49	0,63	0,26	0,041	0,0001	0,01	0,0024

Использование сталей определяется конструкционной прочностью. Под конструкционной прочностью понимают комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу изделий или конструкций в условиях эксплуатации. Это комплексная характеристика включает сочетание прочности, жесткости, надежности, долговечности.

Конструкционную прочность можно определить по величине предела текучести стали и температуре вязко-хрупкого перехода ( по температурному порогу хрупкости).

Исходными данными для аналитического определения значений конструктивной прочности являются данные о химическом составе сплава, распределении элементов между фазами и количественные параметры структуры (размер фаз, их количество, распределение и соотношение).

Расчеты ведутся с упрощениями .Предел текучести можно рассчитать по уравнению Петча-Холла:

σт = σi + Kу∙ d⁻¹/²,

где σт – предел прочности, МПа;

σi – внутреннее упрочнение, МПа;

d – диаметр зерна, мкм;

Kу – постоянная.

Исследование микроструктуры и фазового состава сталей позволило оценить величину отдельных факторов упрочнения исходя из аддитивного вклада в предел текучести отдельных упрочняющих факторов [1]:

σт =σо+∆σт.р.+∆σп+∆σд.у.+∆σ д+∆σз (1)

где – σо напряжение трения решетки или напряжение Пайерлса–Набарро; ∆σт.р –твёрдорастворное упрочнение; .∆σп – перлитное упрочнение; ∆σд.у – дислокационное упрочнение; .∆σд – дисперсионное упрочнение; ∆σз – упрочнение границами зёрен и субзёрен зернограничное упрочнение.

В различных сталях и сплавах вклад каждого из этих механизмов упрочнения в величину предела текучести будет различным. Кроме того, каждый из механизмов может воздействовать на материал самостоятельно или играть решающую роль. Так, твердорастворное упрочнение в a - железе, в основном обусловлено блокированием дислокаций атмосферами из атомов внедрения. Тогда как, в легированных феррите и аустените упрочнение происходит за счет создания локальных внутренних напряжений при замещении атомов железа атомами легирующего элемента с другими размерами и свойствами. Деформационное упрочнение в одних сталях в основном может быть обусловлено образованием дислокаций леса, а в других – дефектами упаковки, барьерами Ломер-Коттрелла и др. Дисперсионное упрочнение вызывается как когерентными, так и некогерентными выделениями, и эффективность упрочнения в этих случаях существенно отличается. Зернограничное упрочнение зависит от величины протяженности межзеренных границ, различного их строения, т.е. из-за барьерного воздействия на торможение дислокаций; в ряде сплавов возможно образование полигональных границ и появление эффекта субструктурного упрочнения.

Таким образом, при анализе указанных механизмов применительно к конкретной группе сталей необходимо уточнить, какие из механизмов играют основную роль, в чем она заключается и какие факторы оказывают на них наибольшее влияние.

Напряжение трения решетки. Сопротивление решетки движению свободных дислокаций или напряжение Паерлса-Набарро, в первом приближении может быть соотнесено с пределом текучести монокристалла металла, т.к. эта величина является минимальным напряжением для движения4 краевых дислокаций в кристалле и характеризует в нем силы трения.

Напряжение Пайерлса – Набарро рассчитывалось по формуле:

σо= 2∙ 10⁻⁴∙Ԍ , (2)

где G – модуль сдвига, для железа G = 84000 МПа.

Для стали 05Г2СМБ получили: σо = 2 ∙ 10⁻⁴∙ 8400 = 16,8 Мпа При расчёте предела текучести принимаемые значения σо должны быть несколько большими, так как в твёрдом растворе всегда растворено некоторое количество примесей внедрения [10-2 % (С+N)], и имеются дефекты кристаллического строения. Поэтому напряжение Пайерлса σо - 0~30 МПа [1].

Однако напряжение трения решетки существенно зависит от содержания примесей в металле. Причем, по мере того, как улучшается чистота и степень совершенства кристаллов, получаем все меньшие значения предела текучести монокристаллов. При легировании металла происходит увеличение сил трения, т.е. легирование увеличивает сопротивление движению дислокаций, кроме того, эти атомы создают локальные напряжения в кристаллической решетке металла. В любой стали всегда растворено некоторое количество легирующих элементов и примесей, а также присутствуют дефекты кристаллического строения, то значения σо –Н будут несколько выше приведенного ранее, с учетом экспериментальных данных следует применять в расчетах следующие значения σо – Н:

Твердорастворное упрочнение. Это упрочнение сталей или сплавов за счет растворения легирующих элементов в твердом растворе. Образование твердого раствора возможно по принципу замещения и внедрения. В зависимости от вида твердого раствора величина упрочнения будет различной так как степень искажения кристаллической решетки различна. Твердые растворы внедрения образуют элементы с малым атомным радиусом (обычно такими элементами являются неметаллы).

Твердые растворы внедрения – это всегда ограниченные твердые растворы, а растворимость в них зависит от кристаллической решетки растворителя и размеров элемента внедрения. Ограниченность твердых растворов объясняется тем, что при образовании твердого раствора сохраняется решетка растворителя, а атомы внедрения занимают лишь вакантные междоузлья – октаэдрические и тетраэдрические пустоты в решетке металла растворителя. Элементы, образующие твердые растворы внедрения, на два порядка сильнее упрочняют твердый раствор, чем элементы, образующие твердые растворы замещения, и это необходимо учитывать при легировании.

Количественная оценка твердорастворного упрочнения при легировании производилась в предположении аддитивности вкладов в упрочнение отдельных легирующих элементов.

∆σт.р=∑(ki ∙ Сi) (3)

где ki – коэффициент упрочнения феррита, представляющий собой прирост предела текучести при растворении в нём 1 % (по массе) i-того легирующего элемента; Сi – концентрация, % (по массе) i-того легирующего элемента растворённого в феррите.

Коэффициент упрочнения определяют при специальных исследованиях по влиянию легирования на свойства матрицы сплавов [1].

Значения коэффициентов упрочнения приведены в таблице 1.2 Ci – концентрация, % (по массе), i – легирующего элемента, растворенного в феррите. Расчет по этой формуле возможен, если известны коэффициенты упрочнения Ri . Значения коэффициента упрочнения для основных элементов легирующих сталей приведены в таблице.

Таблица Коэффициенты упрочнения феррита.

Элемент	C,N	P	Si	Ti	Fl	Cu	Mn	Cr	Ni	Mo	V
Ki, МПа% (по массе)	4670	690	86	82	60	39	33	31	30	11	3

По формуле (3) твердорастворное упрочнение для стали 05Г2СМБ составило:

∆σт.р =∑1,87∙ 33+0,1∙86+0,63∙30+0,26∙⅓∙0,019∙82+⅓∙0,01∙11= 97,83 МПа

Коэффициенты твердорастворного упрочнения определяют при специальных исследованиях по влиянию легирования на свойства матрицы сплавов. Определение значений сi является более сложной задачей, так как эта величина представляет собой концентрацию легирующего элемента в твердом растворе, а не все содержание элемента в стали. Дело в том, что легирующий элемент может быть частично растворен в твердом растворе, а частично в карбидной или интерметаллидной фазе. Следует отметить, что упрочнение феррита легированием отрицательно сказывается на склонности к хрупкому разрушению. Упрочнение за счет перлита Dsn определяется количеством перлитной составляющей в структуре стали и ее дисперсностью, то есть зависит от состава стали, устойчивости переохлажденного аустенита и скорости охлаждения из аустенитного состояния. Легирующие элементы (Mn, Cr, Ni, Mo и другие) увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита, вследствие чего в результате охлаждения на воздухе будут образовываться более низкотемпературные продукты распада аустенита. Как правило, феррито- перлитная структура сохраняется, но в ней увеличивается количество перлитной составляющей вследствие образования псевдоперлита. Если в аустените растворены сильные карбидообразующие элементы (Nb, V, Ni и другие), то аустенит обладает повышенной устойчивостью к распаду, если же эти элементы связаны в карбидные фазы, устойчивость аустенита будет уменьшаться вследствие их зародышевого влияния результате охлаждения на воздухе будут образовываться более низкотемпературные продукты распада аустенита. Как правило, феррито- перлитная структура сохраняется, но в ней увеличивается количество перлитной составляющей вследствие образования псевдоперлита. Если в аустените растворены сильные карбидообразующие элементы (Nb, V, Ni и другие), то аустенит обладает повышенной устойчивостью к распаду, если же эти элементы связаны в карбидные фазы, устойчивость аустенита будет уменьшаться вследствие их зародышевого влияния на распад аустенита и связывания части углерода в специальные карбиды. Последние приведут к некоторому уменьшению перлита в структуре стали.

Дислокационное упрочнение оценивалось с помощью электронно- микроскопических изображений, при этом учитывались доли феррита и упрочняющей структурной составляющей (УСС), найденные при металлографическом исследовании.

Рд=Ра∙∙qф+Русс∙qб/м (4)

где Рд – плотность дислокаций (Ра – в феррите; Русс – упрочняющих структурных составляющих); qф и qб/м – доля феррита и УСС соответственно. По формуле (4) плотность дислокаций для стали составило:

Рд=0,16∙1∙10ᴵᴵ+0,84∙5∙10ᴵᵒ=12,2∙10¹ᵒ см⁻²

Деформационное упрочнение. Низкотемпературная пластическая деформация с самого ее начала и до разрушения образца сопровождается повышением сопротивления материала образца деформации по мере увеличения ее степени. Иными словами, для продолжения деформации требуется постоянное увеличение постоянного напряжения. Это явление называется деформационным упрочнением. Оно проявляется только в процессе деформации. Деформационное упрочнение обусловлено торможением дислокаций. Чем труднее перемещаться дислокациям в материале, тем больше коэффициент (модуль) деформационного упрочнения – производная напряжения по деформации – характеризующий наклон кривой деформации. В процессе деформации этот коэффициент меняется, и его изменения в конечном итоге определяют геометрию диаграммы деформации. Для анализа закономерностей деформационного упрочнения необходимо пользоваться диаграммой деформационного упрочнения в координатах напряжения (S или t) – деформация (е или g).

Значение дислокационного упрочнения для исследуемой стали:

.∆σ д=100МПа

На деформационное упрочнение металлов существенное влияние оказывают примеси и легированные стали. Оказываемое влияние базируется на основных четырех эффектах:

1. Образование примесных атмосфер на дислокациях.

2. Изменение энергии дефекта упаковки.

3. Увеличение сил трения при движении дислокаций.

4. Упорядочение.

Но в любом случае присутствие инородных атомов увеличивает деформационное упрочнение с самого начала деформации. 8 Теории для количественной оценки деформационного упрочнения создаются очень давно, но до настоящего времени не существует общепринятой теории упрочнения. Первые теории упрочнения (модели Тейлора, Мотта) были в значительной мере умозаключительными. При построении следующих моделей использовать результаты электронно-микроскопического исследования дислокационной структуры металлов.

Механизмы дисперсионного упрочнения можно разделить на основные и косвенные. Все основные механизмы дисперсионного упрочнения основаны на том, что дисперсионные частицы являются препятствиями на пути движения дислокаций, вследствие чего повышается напряжение течения – предел текучести материала. Косвенные механизмы упрочнения связаны с влиянием дисперсных частиц и собственно распада перенасыщенного твердого раствора на структурные параметры, влияющие на прочность. Поэтому косвенные механизмы необходимо рассматривать при анализе конкретных сплавов. Дислокационные механизмы дисперсионного упрочнения разработаны для когерентных частиц, когда дислокации могут перерезать частицы выделений и для некогерентных частиц, когда дислокации обходят выделения.

Основными частицами упрочняющими стали и сплавы являются: -карбиды (химические соединения металла с углеродом) такие как: Fe3C, Mo2C, NbC, ZnC, TiC и другие.

-нитриды (соединения металла с азотом) такие как: Fe4N, CrN, MoN, TiN, AlN и другие.

-интермиталлиды (соединения металла с металлом) NiAl, NiTi, FeV и т.д.

Иногда упрочняющей фазой в стали может быть какой-либо элемент, нерастворимый в железе, например почти чистая медь (вернее e-фаза – твердый раствор железа в меди).

Дисперсионное упрочнение наиболее эффективно в том случае, когда упрочняющая фаза способна к растворению в твердом растворе, выделению и сохранению в дисперсной форме при существующих режимах нагрева и охлаждения. Этим условиям удовлетворяют фазы VC, VN, NbC, V (C, N).

Выделения, образующиеся при распаде твердого раствора, могут быть когерентны и некогерентны матрице.

Вклад дисперсионного упрочения в предел текучести оценивался по механизму Орована:

∆σд.у=(9,8∙10³/λ)ln2λ (5)

где λ – расстояние между частицами.

Для стали 05Г2СМБ вклад дисперсионного упрочнения в σт:

∆σд.у=(9,8∙10³/1000)ln2∙1000=9,8∙10³∙ln2000/1000=75МПа

Металлы в сплавах используют, как правило, в виде поликристаллов. Важнейшее их свойство – механическая прочность – определяется дефектностью структуры кристалла. И добиться от металла тех или иных свойств можно изменяя дефектную структуру кристалла. Под структурой следует понимать концентрацию и распределение не только точечных дефектов, дислокаций и поверхностных дефектов (дефектов упаковки), но границ зерен и межфазных границ. Атомная структура и свойства одиноких точечных дефектов и дислокаций в кристаллах изучены довольно хорошо. Что нельзя сказать по поводу знаний об атомной структуре границ зерен и механизмах их участия в пластической деформации.

Однако в последние годы при использовании электронной микроскопии удалось выяснить, что границы зерен в металлах представляют собой прослойки толщиной 2-3 межатомных расстояний и только внутри этого слоя сочленение атомов отличается от правильного расположения атомов в соседних зернах. Следовательно, границы зерна способствуют поверхностному дефекта кристалла. Это обстоятельство позволило разработать сравнительно простые микроскопические модели границы зерна. Наиболее важными являются зернограничные дислокации. Зернограничные дислокации являются нарушениями структуры «идеальной» плоской границы, которую следует рассматривать как поверхностный дефект кристалла.

Зернограничное упрочнение оценивалось по уравнению:

Δσз= ky∙d⁻¹/² (6)

где ky – коэффициент характеризующий материал.

Из формулы видно, что чем меньше размер зерна, тем больше значение упрочняющего фактора, но существует мнение, что при сверхмелком зерне эффективность упрочнения снижается. Факторов, влияющих на размер зерна очень много. В основном к упрочнению стали приводит легирование.

С учетом размера зерен, оцененных с помощью металлографических исследований, вклад зернограничного упрочнения в стали составил:

Δσз≈400 МПа

В итоге определяем значение предела текучести для стали:

σт=30+97,83+100+75+400≈703МПа

Механические свойства стали 05Г2СМБ в исходном состоянии σт=650МПа

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Гольдштейн М.И. Металлофизика высокопрочных сплавов. Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1986. 312 с.

2. Гольдштейн М.И. Специальные стали. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1985. 408 с.

3. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

4. Келли А., Никлсон Р. Дисперсионное твердение. М.: Металлургия, 1966.300 с.

5. Панин В.Е., Дударев Е.Ф. Структура и механические свойства твердых растворов замещения. М.: Металлургия, 1971. 208 с.

6. Васина Г.И. Вычислительная техника и программирование. Учебное пособие. ГАЦМиЗ. Красноярск, 1995. 128 с.

7. Фролов В.К. Методические указания к практическим заданиям. Днепропетровск, 1990. 64 с