Контрольная работа по "Материаловедение"

I  РАЗДЕЛ: МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ.

Вопрос №20: Приведите диаграмму состояния железо. Охарактеризуйте линии и точки диаграммы.

Диаграмма состояния системы железо-углерод является одной из важнейших диаграмм и двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы – стали и чугуны – представляют собой сплавы железа с углеродом, который является основным компонентом.  Диаграмма железо-углерод должна распространяться от железа до углерода. Так как железо с углеродом химическое соединение цементит Fe3C, на практике применяют сплавы с содержанием углерода  до 5%, то и рассматриваем часть диаграммы до цементита, содержащего 6,67% С.

 

 

Приводимые на диаграмме буквенные обозначения точек являются общепринятыми.

Точка А (t=1539°С, С=0%) – соответствует температуре плавления чистого железа, а точка D (t=1250°С, С=6,67%) – приблизительная температура плавления цементита.

При  температуре 1392°С (С=0%) – точка N – происходит полиморфные превращения , а при температуре 911°С (С=0%) – точка – полиморфные превращения железа  .

Точка Р (t=727°С, С=0,02%) соответствует максимальному  содержанию углерода в α-железе, а точка Е (t=1147°С, С=2,14%) – максимальное содержание углерода в γ-железе.

При охлаждении аустенита с содержанием углерода 0,8%  в точке S (t=727°С) происходит его распад на механическую смесь феррита (имеющего 0,02% углерода) и цементита вторичного. Такая смесь называется перлитом и обозначается символом П. отсюда вывод: основные условия образования перлита в железо-углеродистых сплавах является содержание углерода в аустените 0,8% и температура 727°С.

Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является мощной структурной составляющей (НВ 180…220).

При охлаждении жидкого расплава с содержанием углерода 4,3% в точке С (t=1147°С) образуется механическая смесь аустенита с содержанием углерода 2,14% и цементита первичного. Эта смесь называется ледебуритом и обозначается индексом Л.

При t=20-25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (НВ˃600) и хрупкости.

Точка Q (t=20°С, С=0,006%) – феррит, предельно насыщенный углеродом.

Линии диаграммы представляют собой семейство критических точек, в которых происходят какие-либо превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линии ABCD и NJECF – соответственно линия ликвидус и линия солидус, показывают температуры начала и конца кристаллизации жидких сплавов. При температурах, соответствующих линии NJВ, происходит перитектическое превращение. Линия МО (t=768°С) указывает на температуру перехода феррита из магнитного состояния в немагнитное при нагреве и наоборот – при охлаждении.  Это превращение не относится к разряду фазовой перекристаллизации. Линии GS и РG соответствуют температурам начала и конца полиморфного превращения феррита в аустенит при нагреве и аустенита в феррит – при охлаждении. Линии QР и SЕ указывают на предельную растворимость углерода в α- и γ-железе. Линия ЕСF (t=1147°С) – семейство точек, при которых протекает эвтектическое превращение в сплавах.

Эвтектика (от греческого eutektos – легко плавящийся) – тонкая механическая смесь твердых фаз, одновременно закристаллизировавшихся из расплава. При охлаждении сплава с содержанием углерода 4,3%  в точке С образуется чистая эвтектика – ледебурит. Этот сплав называют эвтектическим чугуном. Чугуны с содержанием углерода менее  называют доэвтектическим, а при содержании углерода более 4,3% - заэвтектическим.

Линия РSК (t=727°С) – линия эвтектоидного превращения. Эвтектоид ( от эвтектика и греч.eidos – вид) – аналогичная эвтектике структурная составляющая металлических сплавов, но в отличие от нее образуется не из жидкой, а из твердой фазы и потом имеющая  более тонкое дисперсное строение. Так, при охлаждении аустенита с содержанием углерода 0,8% в точке S образуется эвтектоид – тонкодисперсная механическая смесь феррита и цементита вторичного, называемого перлитом. Такой сплав именуется эвтектоидной сталью. Стали , имеющие углерода менее 0,8% называют доэвтектоидными, а более 0,8% - заэвтектоидными.

Таким образом, в системе железо-цементит происходят три изотермических превращения:

- перитектическое  на  линии НJВ (t=1499°С): Фн  Жв → Аj;

- эвтектическое на линии ЕСF (t=1147°С): Жс [Ае + ЦI];

- эвтектоидное на линии РSК (t=727°С): As → (Фр + ЦII).

Диаграмма состояния железо-цементит имеет большое практическое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.

Задача №40.

 

1. Начертить диаграмму  состояний железо-цементит, провести  на ней ординату, соответствующую  сплаву 6,5%С, обозначить на ней все критические точки.

2. Рядом с диаграммой  справа начертить кривую охлаждения  данно¬го сплава, показав связь критических точек на диаграмме и кривой ох¬лаждения.

3. Описать сущность превращений, происходящих в сплаве при  мед-ленном охлаждении от температуры  в жидком состоянии до комнатной. Обязательно пояснить причины вызывающие превращения.

4. На ординате сплава  отметить точку, соответствующую  заданной температуре 650ºС и провести через нее коноду.

5. Определить массовую долю фаз и процентное содержание компонентов по правилу отрезков.

 

Ответ:

Сплав содержащий 6,5%С называется заэвтектическим белым чугуном, при комнатной температуре т.4 (рис. 1) будет иметь следующую структуру: Первичный цементит + Ледебурит (перлит + цементит) + Вторичный цементит.

 

Рис. 1. Кривая охлаждения 6,5%С

Кристаллизация начинается при температуре т.1 несколько ниже линии СD выпадением из жидкости цементита в виде плоских игл, который называется цементитом первичным (ЦI). Состав жидкой фазы меняется по линии СD, твердая – остается без изменения. При температуре 1147 °С (т.2) заканчивается кристаллизация избыточных кристаллов ЦI. Жидкость состава точки С (4,3 %С) согласно эвтектической реакции (T = const) кристаллизуется с образованием ледебурита. На кривой охлаждения горизонтальный участок, т.е. температура не меняется, пока не растворится жидкая фаза.

При дальнейшем  охлаждении 2’ → 3 изменение состава аустенита по линии ЕS приводит к выделению из аустенита вторичного цементита (ЦII), который присоединяется к эвтектическому.

Температура 727 °С является температурой эвтектоидного равновесия аустенита, феррита и цементита. Т.е. при достижении т. 3 аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит A → Ф + Ц и образуется видоизмененный ледебурит. На кривой охлаждения горизонтальный участок, т.е. температура не меняется, пока не аустенит полностью не распадется.

Ниже этой температуры аустенит превращается в перлит, т.е. при дальнейшем охлаждении от точки 3/ до точки 4 из феррита, входящего в состав перлита видоизмененного ледебурита, выделяется избыточный углерод согласно кривой РQ  в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита.

Конечная структура заэвтектического чугуна Л + ЦI + ЦII носит название ледебуритно-цементитного чугуна.

По коноде абв на рисунке 1 определим состав фаз, их количество и процентное содержание компонентов:

Сплав содержащий 6,5%С при температуре 650ºС имеет двухфазную структуру: феррит + цементит. Состав феррита 0,015%С (точка а), а состав цементита 6,67% (точка в).

 

Определим количество и процентное соотношение фаз:

Qα =  бв / aв • 100% = (6,67 – 6,5) / (6,67 – 0,015) • 100% = 2,5%

QFe3C = 100% – 2,5% = 97,5%, Qα : QFe3C = ≈ 1 : 39.

 

II РАЗДЕЛ: ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ.

Вопрос 20: Что понимается под закаливаемостью и прокаливаемостью? Каково ее влияние на механические свойства стали?

 

Закалкой называется нагрев стали  выше критических точек, изотермическою выдержку и охлаждение с высокой скоростью в специальной среде – охладителе (вода, водные растворы солей или щелочей, индустриальное масло). Цель закалки – получение максимальной прочности и твердости.

Закаливаемость – способность стали получать высокую твёрдость при закалке, что обеспечивается получением структуры мартенсита. Закаливаемость измеряется в единицах твердости и зависит, главным образом, от содержания углерода.

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. Температура нагрева доэвтектоидной стали под закалку соответствует температуре полного отжига, а  заэвтектоидной – температуре неполного отжига. В последнем случае сознательно оставляют в структуре нагретой стали цементит как твердую фазу, конкурирующую по твердости с мартенситом (основной структурой закалки).

При полной закалке доэвтектоидной стали она нагревается до температуры аустеничного состояния (на 30-50°С выше Ас3 или АсТ) и после выдержки охлаждается со скоростью не менее критической. В результате мелкозернистый аустенит превращается в мелкоигольчатый мартенсит.

При неполной закалке доэвтектоидной стали нагрев производится до температуры между Ас1 и Ас3, при которой в структуре сохраняется доэвтектоидный феррит. В заэвтектоидной стали, состоящей из аустенита и вторичного цементита, при быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит, твердость которого зависит от содержания углерода в стали.

После неполной закалки в доэвтектоидных сталях структура состоит из мартенсита и включений зерен феррита, а в заэвтектоидных – из мартенсита и округлых включений вторичного цементита. Наличие феррита в структуре закаленной доэвтектоидной стали снижает твердость, поэтому такая закалка применяется реже. Наличие избыточного цементита в структуре закаленной заэвтектоидной стали, наоборот, полезно.

Заэвтектоидные стали обычно используются для изготовления инструмента. Важнейшим требованием предъявляемым к инструментальным сталям, является твердость. Твердость заэвтектоидных сталей после неполной закалки снижается за счет значительного увеличения количества остаточного аустенита в мартенситной структуре этих сталей. Остаточного аустенита тем больше, чем большее количество углерода переходит в твердый раствор при нагреве стали.

Округлые включения цементита не только не уменьшают, но даже увеличивают твердость, а следовательно, и износостойкость стали. Кроме того, поскольку нагрев ведется при температуре ниже Аст , уменьшается рост зерна, снижаются термические напряжения при закалке и менее интенсивно обезуглероживается поверхность металлов.

Наиболее благоприятная структура заэвтектоидных сталей достигается тогда, когда включение вторичного цементита имеют форму сфероидов – зернистую форму. Цементитная сетка по границам зерен недопустима, так как увеличивает хрупкость стали. Поэтому закалке заэвтектоидных сталей должен предшествовать отжиг – сфероидизация.

Таким образом, для доэвтектоидных сталей рационально применять полную закалку, а для заэвтектоидных – неполную.

Время нагрева при завалке зависит от габаритов детали и теплопроводности стали.  Чаще оно определяется экспериментально.

Способ охлаждения зависит от формы закаливаемого изделия, его размеров, химического состава стали. Чем сложнее форма и больше сечение детали, чем выше содержание углерода в стали, тем больше опасность деформации, выше возникающие напряжения и вероятность появления трещин.

Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения называется критической скоростью закалки. Скорость охлаждения определяется видом охлаждающей среды.

Наиболее простой способ закалки – использование одного охладителя когда нагретое изделие остается в охлаждающей жидкости до полного охлаждения. Недостатком такого способа является возникновение значительных внутренних напряжений. Поэтому для деталей из углеродистых сталей сечением более 5 мм в качестве закалочной среды рекомендуется вода, а при меньших размерах и для легированных сталей – масло.

Для уменьшения внутренних напряжений применяется охлаждение в двух средах, при котором деталь сначала охлаждается в воде до 350-400°С, а затем переносится для дальнейшего охлаждения в масло. Недостатками такого способа является трудность регулирования времени и выдержки в первой охлаждающей жидкости.

Наиболее благоприятные условия для регулирования времени выдержки в первой охлаждающей жидкости достигается при ступенчатой закалке. В этом случае деталь быстро охлаждается в соляной ванне с температурой, превышающей температуру начала мартенситного превращения на30-50°С. После выдержки для достижения одинаковой температуры по всему сечению дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе. Такая технология закалки способствует резкому снижению внутренних напряжений и возможности коробления детали.

В то же время из-за низкой скорости охлаждения в нагретой среде в центральных областях крупногабаритных изделий скорость охлаждения может оказаться ниже критической. Поэтому максимальный размер деталей из углеродистых сталей, закаливаемых этим способом не должен превышать 10 мм, а легированных – 20-30 мм.