Контрольная работа по «Материаловедению»

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                    а)                                                                             б)

Рис. 4 - Микроструктуры стали (а) и чугуна (б)

Ответ:

а) Микроструктуры стали и чугуна, заданных вариантом (под № 16) и их схематичное изображение представлены на рис. 5 и 6.

                               а)                                                                                      б)

Рис. 5 – Микроструктура стали: а) – фотография шлифа; б) – схематичное изображение

 

   Структура стали состоит из феррита и перлита, т.е. сталь доэвтектоидная, с содержанием углерода до 0,8 %.

 

                               а)                                                                                      б)

 

Рис. 6 - Микроструктура чугуна: а) – фотография шлифа; б) – схематичное изображение

 

Структура чугуна состоит из шаровидного графита, перлита и феррита, т.е. это высокопрочный перлитно-ферритный чугун.

 

б) Характеристика структурных составляющих железоуглеродистых сплавов:

Однофазные составляющие:

Феррит.

Существуют две разновидности феррита – низкотемпературный a-феррит и высокотемпературный d-феррит. Низкотемпературный a-феррит (феррит) – твердый раствор внедрения углерода в a-железо, которое имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК решетка). Предельная растворимость углерода в феррите равна 0,02% при 723°С. При понижении температуры растворимость углерода в феррите уменьшается и при 20 °С равна 0,01% .Феррит магнитен и весьма пластичен (твердость по Бринеллю 70-80 НВ.), обладает большим относительным удлинением (до 40%). Под микроскопом феррит выглядит в виде светлых однородных зерен. Высокотемпературный d-феррит - твердый раствор внедрения углерода в d-железо которое имеет ОЦК решетку. Максимальная растворимость углерода в d-феррите равна 0,01% при 1492 °С.

Графит.

Графит – углерод в свободном состоянии, является стабильной фазой.

 

Двухфазные составляющие:

Перлит.

Перлит представляет собой эвтектоидную смесь феррита и цементита пластинчатого строения. Перлит образуется при медленном охлаждении из аустенита при температуре 727°С и содержит 0,8% углерода. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой: 

А0,8 → П(Ф0,02 + Ц6,67)

 

в) Классификация стали и чугуна:

- сталь является доэвтектоидной, с содержанием углерода до 0,8 %, т.к. структура стали состоит из феррита и перлита.

-данный  чугун является высокопрочным  перлитно-ферритным, т.к. структура чугуна состоит из шаровидного графита, перлита и феррита.

 

Задание 5.

Назначить режимы следующих видов термообработки для данной вариантом марки стали У14: 
         а) рекристаллизация; 
         б) закалка полная; 
         в) закалка неполная; 
         г) - отпуск низкий; 
                    - отпуск средний; 
                    - отпуск высокий; 
         д) отжиг полный; 
         е) отжиг неполный.

Дать последовательное описание изменения структуры стали после очередной термообработки, считая, что перед рекристаллизацией сталь была в состоянии наклепа. 
        Указать термообработки, не рекомендуемые для данной марки стали, дать объяснение. 
       Указать термообработки (по п.п. а)…е)), относящиеся к отжигу I и II рода.        

Ответ. 
         Сталь У14 – углеродистая инструментальная сталь с содержанием углерода 1,4%.

а) Рекристаллизация обработки - образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла. В результате рекристаллизации полностью снимается наклеп и свойства приближаются к исходным значениям. В углеродистой стали собирательная рекристаллизация происходит при температуре 650 - 700° С. Время выдержки обычно составляет 10 — 60 мин.

б) Закалка - вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенных температур, выдержке и быстром охлаждении, со скоростью более верхней критической. Цель закалки - повысить твердость, прочность, износоустойчивость. 
        Полная закалка применяется для доэвтектоидных сталей. Температура нагрева на 810…830°С. При таком нагреве сталь получит структуру аустенита, который при последующем быстром охлаждении превратится в мартенсит. После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита. Нагрев под закалку углеродистых инструментальных сталей осуществляется как в воздушных печах, так и в соляных ваннах. Для соляных ванн выдержка 20-25 с, для воздушных печей 60-80 с на 1 мм толщины.

в) При неполной закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры 760…780°С, твердость HRC 63…65. При этой температуре структура стали будет состоять из аустенита и цементита. В результате быстрого охлаждения стали аустенит перейдет в мартенсит, а цементит сохранится в структуре закаленной стали, так как он не претерпевает превращений при охлаждении. Следовательно, после закалки сталь будет иметь структуру мартенсита и цементита. 
        Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.  
       Условия охлаждения при закалке определяются сечением инструмента. Поскольку быстрое охлаждение в воде или водном растворе солей и щелочей нежелательно, инструмент небольшого сечения охлаждают в масле или расплавленных солях при 160- 200° С. Для уменьшения возможности образования трещин и деформаций при закалке в ряде случаев целесообразно проводить охлаждение сначала в воде с последующим переносом в масло. 
         Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по опытным данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2 мин.; в пламенной печи – 1 мин.; в соляной ванне – 0,5 мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15 мин.

г) Отпуск - вид термической обработки состоящий в нагреве закаленной стали, выдержке и охлаждении в воде или на воздухе. Отпуску подвергают все закаленные стали с целью уменьшения внутренних напряжений, повышения ударной вязкости при некотором снижении твердости и прочности. 
        В зависимости от требований предъявляемых к изделиям их подвергают отпуску при различных температурах: 
- низкий отпуск проводится с целью чуть-чуть снизить остаточные напряжения без существенного снижения твердости. Температура нагрева 150-230°С. Такой отпуск сохраняет твердость выше HRC 62 без разложения остаточного аустенита. Получаемая структура - отпущенный мартенсит. Отпуск проводят в воздушных печах или в жидкостных ваннах продолжительностью 1 ч с последующим охлаждением на воздухе. Для предотвращения трещинообразования отпуск должен быть осуществлен непосредственно после закалки. После шлифования и заточки для снятия напряжений полезен отпуск при 140-160 °С продолжительностью 30-45 мин. Применяется для металлорежущего инструмента из высокоуглеродистых сталей и деталей работающих на истирание (например, шестерни). 
- средний отпуск проводят с целью более полно снять напряжения и повысить ударную вязкость за счет более значительного снижения твердости. Температура нагрева 300-450°С для HRC 55-58. Применяется для деревообрабатывающего инструмента, рессор, пружин, штампов. Получаемая структура - тростит отпуска. 
- высокий отпуск проводят обычно для деталей из легированных сталей с целью получить хорошее сочетание прочности и ударной вязкости. Температура нагрева 450-680°С. Получаемая структура - сорбит отпуска. Продолжительность выдержки при высоком отпуске 2-3 ч после прогрева всей садки. Высокий отпуск следует использовать для снятия наклепа после холодной пластической деформации (так называемый рекристаллизационный отжиг), а также для снятия внутренних напряжений от обработки резанием, предшествующей закалке, перед повторной закалкой изделий, имеющих пониженную твердость после термообработки. 
          Для высокоуглеродистой инструментальной стали У14 целесообразно применить низкий отпуск. 
         д) Отжиг проводят для устранения различного рода неоднородностей.  
        Полный отжиг проводится для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Температура нагрева 750-780 °С, т.е. структуру полностью переводят в аустенитное состояние. После выдержки сталь медленно охлаждают в печи. Скорость охлаждения углеродистых сталей 100-150 °/час. Время выдержки 3-5 часов. Медленное охлаждение. Структура стали после полного отжига получается феррито-перлитная. 
Сталь У14 –заэвтектоидная, т.е. применение полного отжига нецелесообразно. 
         е) Неполный отжиг проводят для инструментальных заэвтектоидных сталей, т.к. они имеют высокую твердость и износостойкость и удовлетворительные механические свойства. Температура нагрева 690-710 °С. Сфероидизацию с непрерывным медленным охлаждением рекомендуется проводить в шахтных или камерных печах. Скорость охлаждения углеродистых сталей 100-150 °/час. Продолжительность выдержки после прогрева всей садки до температуры отжига 3-4 ч. При нагреве структура будет состоять из аустенита и цементита, после медленного охлаждения из перлита и цементита. 
        Для высокоуглеродистой инструментальной заэвтектоидной стали У14 целесообразно применить неполный отжиг.

Наклеп - упрочнение металла под действием холодной пластической деформации. В металле искажается кристаллическая решетка и образуется определенная ориентировка зерен — текстура. Зерна деформируются, сплющиваются и из равноосных превращаются в неравноосные (в виде лепешки, блина). При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – рекристаллизация - рост новых равноосных зерен за счет исходных деформированных. 
          В результате рекристаллизации полностью снимается наклеп и свойства приближаются к исходным значениям. 
          Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму. 
         Для высокоуглеродистой инструментальной заэвтектоидной стали У14 применяют неполный отжиг. При нагреве структура будет состоять из аустенита и цементита, после медленного охлаждения из перлита и цементита. 
        Далее применяют неполную закалку стали. Структура стали будет состоять из аустенита и цементита. В результате быстрого охлаждения стали аустенит перейдет в мартенсит, а цементит сохранится в структуре закаленной стали, так как он не претерпевает превращений при охлаждении. Следовательно, после закалки сталь будет иметь структуру мартенсита и цементита. 
       После закалки проводят низкий отпуск. Такой отпуск сохраняет твердость выше HRC 62 без разложения остаточного аустенита. Получаемая структура - отпущенный мартенсит.

Отжиг первого рода – это отжиг, при котором не происходит фазовых превращений, а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. 
 К отжигу первого рода относится процесс рекристаллизации.

Отжиг второго рода – это отжиг, при котором фазовые превращения определяют его целевое назначение. 
 К отжигу второго рода относится полный и неполный отжиг.