Шпаргалка по "Материаловедению"

 

15. Высокопрочный  чугун с шаровидным графитом. Струкрура, свойства, область применения.

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293) могут  иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую  основу. Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием  или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.

Чугуны  с перлитной металлической основой  имеют высокие показатели прочности  при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов - обратное.

Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести,

,

что выше предела текучести стальных отливок. Также характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная  прочность,

,

при перлитной основе.

Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.

Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.

Из  высокопрочного чугуна изготовляют  тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.

Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный  чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на ВЧ 100. 

 

16. Ковкий  чугун. Струкрура, свойства, область применения.

Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.

Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и  охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.

Ковкие  чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.

Формирование  окончательной структуры и свойств  отливок происходит в процессе отжига, схема которого представлена на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Отжиг ковкого чугуна.  

 

Отливки выдерживаются в печи при  температуре 950…1000 С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита: .

Структура после выдержки состоит  из аустенита и графита (углерод  отжига).При медленном охлаждении в интервале 760…720^oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).

При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 11.3) вторая стадия полностью  устраняется, и получается перлитный  ковкий чугун.

Структура чугуна, отожженного по режиму в, состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун)

Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов.

Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ 30 – 6) и четыре с перлитной (КЧ 65 – 3) основой (ГОСТ 1215).

По механическим и технологическим  свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между  серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Отливки из ковкого чугуна применяют  для деталей, работающих при ударных  и вибрационных нагрузках.

Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Из перлитных чугунов, характеризующихся  высокой прочностью, достаточной  пластичностью, изготавливают вилки  карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный  чугун) и двумя числми, первое из которых показывает значение предела  прочности, умноженное на , а второе – относительное удлинение - КЧ 30 - 6.

 

17. Фазовые превращения  при нагреве стали.

При нагреве стали существуют 4 вида фазовых превращений

1. Превращение перлита в аустенит
2. Превращение аустенита в перлит
3. Превращение аустенита в мартенсит
4. Превращение мартенсита в аустенит

 

18. Перегрев и пережог.  Влияние величины зерна на  свойства стали.

Неправильный режим  нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали.

Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Такая структура называется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных температур с последующим медленным охлаждением.

Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления. При этом наблюдается окисление границ зерен, что резко снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.

Различают величину зерна наследственного и действительного.

Для определения величины наследственного зерна, образцы  нагревают до 930^o С и затем определяют размер зерна.

Действительная величина зерна – размер зерна при обычных  температурах. полученный после той  или иной термической обработки.

Величина действительного зерна оказывает наибольшее влияние на ударную вязкость. У сталей с мелким действительным зерном ударная вязкость гораздо выше, особенно при низких температурах (—20) — (+40° С). Следовательно, необходимо применять стали с действительным мелким зерном для деталей, подвергающихся ударам и работающих в условиях низких температур.

Влияние наследственной величины зерна  на термическую обработку следует  рассматривать в связи с устойчивостью  аустенита стали. Аустенит стали  с природным мелким зерном вследствие наличия большого числа центров превращения, которые обычно возникают, отличается меньшей устойчивостью в сравнении с аустенитом стали с крупным природным зерном.

В силу указанных причин сталь с  крупным наследственным  зерном отличается более глубокой прокаливаемостью. У сталей с мелким наследственным зерном глубина прокаливаемости меньшая, так как при закалке превращение в центре сечения может начаться раньше, чем температура здесь понизится настолько, чтобы сердцевина могла закалиться. Это очень удобно для изготовления изделий, требующих твердой поверхности и вязкой сердцевины, например полуосей автомобиля, зубил, ударного инструмента, развёрток. Детали машин, подвергаемые растяжению, сверла, штампы требуют сплошной прокаливаемости. Недостаточно глубокую прокаливаемость из-за мелкого наследственного зерна следует компенсировать легированием хромом, марганцем, кремнием и другими элементами, а также повышением температуры закалки.

 

 

 

 

19. Мартенситное превращение  в стали

Аустенит в мартенсит

Данное превращение имеет место при высоких скоростях охлаждения, когда диффузионные процессы подавляются. Сопровождается полиморфным превращением в

При охлаждении стали  со скоростью, большей критической (V > Vк), превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения (М_н) и заканчивается при температуре окончания мартенситного превращения (М_к). В результате такого превращения аустенита образуется продукт закалки – мартенсит.

Минимальная скорость охлаждения Vк, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры т.М_н и превращается, называется критической скоростью закалки.

Так как процесс диффузии не происходит, то весь углерод аустенита  остается в решетке  и располагается либо в ценрах тетраэдров, либо в середине длинных ребер (рис. 13.1).

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в .

При образовании мартенсита кубическая решетка  сильно искажается, превращаясь в тетрагональную

Мартенсит в аустенит

Имеет место при нагреве  закаленных сталей. Превращение связано  с диффузией углерода.

Мартенсит закалки неравновесная  структура, сохраняющаяся при низких температурах. Для получения равновесной  структуры изделия подвергают отпуску.

При нагреве закаленной стали происходят следующие процессы.

При нагреве до 200^oС происходит перераспределение углерода в мартенсите. Образуются пластинки – карбидов толщиной несколько атомных диаметров. На образование карбидов углерод расходуется только из участков мартенсита, окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Концентрация углерода на этих участках резко падает, тогда как удаленные участки сохраняют концентрацию углерода. В стали присутсвуют карбиды и два -твердых раствора мартенсита (с высокой и низкой концентрацией углерода. Такой тип распада мартенсита называется прерывистым. Скорость диффузии мала, карбиды не увеличиваются, распад мартенсита сопровождается зарождением новых карбидных частиц. Таким образом имеем структуру с неравномерным распределением углерода – это мартенсит отпуска. При этом несколько снижается тетрагональность решетки.

При нагреве до 300^oС идет рост образовавшихся карбидов. Карбиды выделяются из мартенсита и он обедняется углеродом. Диффузия углерода увеличивается и карбиды растут в результате притока углерода из областей твердого раствора с высокой его концентрацией. Кристаллическая решетка карбидов когерентно связана с решеткой мартенсита.

В высокоуглеродистых сталях аустенит остаточный превращается в  мартенсит отпуска. Наблюдается  снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура – мартенсит отпуска:

При нагреве до 400^oС весь избыточный углерод выделяется из . Карбидные частицы полностью обособляются, приобретают строение цементита, и начинают расти. Форма карбидных частиц приближается к сферической.

Высокодисперсная смесь  феррита и цементита называется троостит отпуска;

При нагреве выше 400^oС изменение фазового состава не происходит, изменяется только микроструктура. Имеет место рост и сфероидизация цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц.

При температуре 550…600^oС имеем сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Улучшаются свойства стали.

При температуре 650…700^oС получают более грубую ферритно- цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).

20. Перлитное превращение

Превращение аустенита в перлит при медленном  охлаждении.

Превращение связано  с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращением , выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита.

В зависимости от степени  переохлаждения различают три области  превращения. Вначале, с увеличением  переохлаждения скорость превращения  возрастает, а затем убывает. При  температуре 727 ^oС и ниже 200^o С скорость равна нулю. При температуре 200^o С равна нулю скорость диффузии углерода.

Превращение перлита  в аустенит

Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным  превращением , а так же растворением цементита в аустените.

Для исследования процессов  строят диаграммы изотермического образования аустенита (рис.12.3). Для этого образцы нагревают до температуры выше и выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.

Рис. 12.3. Диаграмма изотермического  образования аустенита: 1 - начало образования  аустенита; 2 - конец преобразования перлита в аустенит; 3 - полное растворение цементита. 

С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения  сокращается.

Механизм превращения представлен  на рис.12.4.

Рис. 12.4. Механизм превращения перлита  в аустенит.

Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных  зерен на поверхности раздела  феррит – цементит, кристаллическая  решетка  перестраивается в решетку .

Время превращения зависит  от температуры, так как с увеличением  степени перегрева уменьшается  размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста

Образующиеся зерна  аустенита имеют вначале такую  же концентрацию углерода, как и  феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение в идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка.

 

21. Отпуск стали. Разновидности  отпуска

Отпуск является окончательной  термической обработкой.

Целью отпуска является повышение  вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей.

С повышением температуры нагрева  прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска  выбирают, исходя из требуемой прочности  конкретной детали.