Контрольная работа по "Материаловедению"

5. PSK - линия эвтектоидного превращения (t°С=727°С). В результате эвтектоидного превращения из аустенита образуется смесь феррита и цементита. Эта эвтектоидная смесь называется перлитом (П); имеет вид перламутра, почему эта структура и получила такое название.

Эвтектоидное превращение протекает во всех сплавах системы, содержащих углерода более 0,02%.

Критические точки этой линии обозначают A . Перлит может иметь зернистое, но чаще имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей со следующими механическими свойствами: sB=800 900 МПа; s0,2=450 МПа; d 16%; НВ 180-220.

6. МО. - линяя магнитного  превращения (t °С=727 °С). При нагреве ферромагнитный феррит превращается в парамагнитный а при охлаждении наоборот.

7. ES - линия сольвус. Эта линия характеризует изменения концентрации углерода в аустените при изменении температуры. С понижением температуры от 1147 °С до 727 °С предельная растворимость углерода в аустените понижается от 2,14% до 0,8%, следовательно при охлаждении из аустенита выделяется цементит, называемый вторичным (Ц ). (Цементит кристализующийся из жидкого раствора называется первичным). Линию ES еще называют линией вторичного цементита. Цементит вторичный образуется во всех сплавах содержащих углерода более 0,8%.

8. PQ - линия сольвус. Эта линия характеризует изменение концентрации углерода в феррите при изменении температуры. С понижением температуры от 727°С до комнатной предельная растворимость углерода в феррите понижается от 0,02% до 0,006%, следовательно, при охлаждении из феррита выделяется цементит, называемый третичным (Цш). Линию РQ еще называют линией третичного цементита. Во всех сплавах, содержащих углерода более 0,02% происходит образование Цш, но его пластинки нарастают на уже имеющиеся пластинки цементита и поэтому структурно неразличимы.

Проанализируем превращения, протекающие в сплаве, построив кривую охлаждения заданного сплава с применением правила фаз;

Правило фаз устанавливает количественную зависимость между числом степеней свободы (с), числом компонентов (к), образующих систему и числом фаз (Ф), находящихся в равновесии: С=К - Ф +1. Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии. Следовательно, если в точке диаграммы С=0, то на кривой охлаждения - площадка, а если С=1, то на кривой охлаждения - изменение скорости (перегиб). Все сплавы изучаемой системы можно разде

 

 

лить на две группы: стали, чугуны. Стали содержат углерода 0,02% до 2,14, а чугуны от 2,14% до 6,67%.

По структуре стали различаются на доэвтектоидные (от 0,02%-0,8% С), эвтектоидные (0,8%С) и заэвтектоидные (0,8% - 2,14%С).

Чугуны по структуре различаются на доэвтектические (от 2,14%-4,3%С), эвтектические (4,3%С) и зазвтектические (4,3% - 6,67%С).

Рассмотрим кристаллизацию некоторого сплава с содержащего 0,3% С (доэвтэктоидная сталь):

Кристаллизация сплава начинается при температуре т.1 (C =1):

из жидкой фазы кристаллизуется феррит; состав которого по мере кристаллизации до температуры т.2 (C =0) изменяется по линии (1 -Н), а состав жидкой фазы по линии (1-B). При температуре т.2 в сплаве протекает перитектическое превращение с избытком жидкой фазы (Ж), т.к. требуемое количество

а в т.2 количестве

При охлаждении сплава в интервале температур от т.2 до т.З (С =1) происходит превращение оставшегося после перитектической реакции жидкости в аустенит. Ниже температуры т. З состоит из однородного аустенита. При охлаждении сплава в интервале температур от т.З до т.4 (С =1) превращений в нем не происходит. При температуре т.4 в сплаве начинается превращение аустенита в феррит, при этом состав оставшегося аустенита изменяется по линии (4-5) т.е. аустенит обогащается углеродом. Это превращение продолжается до t°С —727°С, т.е. до т.5’. При этой температуре весь аустенит, содержащий 0,8%°C переходит в перлит который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (Ф+П).

По мере охлаждения сплава от температуры т.5 до комнатной из феррита, входящего в состав перлита будет выделяться Цш но он, как указывалось выше, будет структурно неразличим.

Кривая превращения при охлаждении

3. После закалки углеродистой  стали была получена структура мартенсит + цементит. Нанесите на диаграмму состояния железо-цементит ординату (примерно) обрабатываемой стали, укажите температуру ее нагрева под закалку. Опишите превращения, которые произошли при нагреве и охлаждении стали.

Для заэвтектического  чугуна (4,9 %С) кривая охлаждения следующая

1–2 –жидкая фаза 

2–2' – кристаллизация  эвтектики ЛА (t = 1147° C); 2' – конец первичной кристаллизации, жидкости нет.

3–3' – эвтектоидное  превращение А в П.

Ниже 4' – остывание сплава.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 -  Кристаллизация заэвтектического чугуна

 

По правилу фаз находим количество твёрдой и жидкой фазы   при температуре 1180 °С для сплава с 4,9% С

  твёрдой  фазы

  жидкой  фазы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Используя диаграмму железо-карбид железа, установите температуру нормализации, закалки и отжига для стали У12. Охарактеризуйте режимы обработки, укажите, с какой целью назначается каждый режим. Опишите структуру стали после каждого вида обработки.

 

Диаграмма железо- углерод представлена на рис. 2. Термическую обработку  сведём в таблицу 1.

Таблица 1 – Термическая обработка стали У12

 

Вид термообработки	Назначение термообработки	Температура нагрева °С	Время нагрева, мин	Охлаждение
				среда	скорость
Отжиг	Снижает твердость и повышает пластичность и вязкость за счет получения равновесной мелкозернистой структуры, позволяет:  улучшить обрабатываемость заготовок давлением и резанием, исправить структуру перегретой при обработке  стали;  подготовить структуру к последующей термической обработке	Ас3,+30…50 °С = 760…780 °С	20	В печи	медленное охлаждение со скоростью 30…100o С/ч
Нормализация	получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки	Ас3,+30…50 °С = 760…780 °С	20	воздух	На спокойном воздухе
Закалка на сорбит	для повышения твердости и  износостойкости.	Ас3,+30…50 °С = 760…780 °С	20	Масло	Быстрое охлаждение 50-100
Закалка на тростит	для повышения твердости и  износостойкости.	Ас3,+30…50 °С = 760…780 °С	20	Соляной раствор	Быстрое охлаждение 100-150
Низкий отпуск	снижение  закалочных макронапряжений,  повышение  прочности и вязкости  без заметного снижения твердости	160-200 ºС	20		охлаждение с печью
Средний отпуск	снижение твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости изделий	250-400	20		охлаждение с печью
Высокий отпуск	снижение твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости изделий	450-600	20		охлаждение с печью

 

Предварительная термическая обработка сталей заключается в отжиге при 760—780 °С, цель которого — получить микроструктуру, состоящую из зернистого перлита — псевдоперлита,  так как при такой микроструктуре после последующей закалки получаются наиболее однородные свойства. Кроме того, при такой структуре облегчается механическая обработка инструмента.

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска. Закалку проводят в воде от 760—780 °С, т. е, с температур  для  заэвтектоидных — лежащих ниже Аст, (сталь У12 заэвтектоидная).

Углеродистые стали имеют очень высокую критическую скорость закалки — порядка 200—300 °С/с. Поэтому недопустимо даже малейшее замедление охлаждения при закалке, так как это может привести к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен. Особенно быстро протекает распад аустенита в углеродистых сталях при температурах, близких к 500—550 °С, где он начинается почти мгновенно, протекает чрезвычайно интенсивно и в течение нескольких секунд полностью заканчивается.

Поэтому только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде прокаливаться насквозь. Однако при этом в них возникают большие внутренние напряжения, которые могут вызвать существенные деформации.

Инструменты, имеющие крупные размеры, при закалке в воде и в водных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инструментов представляет собой продукты распада аустенита в перлитном интервале температур. Сердцевина инструментов, имеющая такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие такую сердцевину, лучше переносят толчки и удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит.

Углеродистые стали наиболее целесообразно применять для инструментов небольшого сечения (до 5 мм), которые можно закаливать в масле и достигать при этом сквозной прокаливаемости, а также для инструментов диаметром или наименьшей толщиной 18—25 мм, в которых режущая часть приходится только на поверхностный слой, например напильники, зенкера, метчики.

Углеродистые инструментальные стали отпускают при температурах не более 200 °С во избежание снижения твердости. Твердость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале 57–63 HRCЭ, а прочность при изгибе составляет »  1800–2700 МПа.

Достоинствами углеродистых инструментальных сталей является низкая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии.

Их недостатками являются невысокие скорости резания, ограниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости и его значительные деформации после закалки в воде.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. В результате обработки шестерни должны получить твёрдую износостойкую поверхность и вязкую сердцевину. Для их изготовления использована сталь 25ХГМ. Расшифруйте марку, приведите примерный химический состав. Назначьте режим химико-термической и упрочняющей  термической обработки. Опишите сущность происходящих при термообработке превращений, микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины шестерни после всей обработки

 

Сталь 25ХГМ. Сталь конструкционная легированная.

Применение: зубчатые колеса коробки передач

 

Таблица2 - Химический состав 25ХГМ

C	Si	Mn	S	P	Cr	Mo
0.23 - 0.29	0.17 - 0.37	0.9 - 1.2	до   0.035	до   0.035	0.9 - 1.2	0.2 - 0.3

 

Таблица 3 - Механические свойства материала 25ХГМ при Т=20 °С

sВ, МПа	sТ, МПа	d, %	y, %	Термообр.
1200	1100	10	45	Закалка 860oC, масло, Отпуск 200oC,

 

Таблица 4 - Критические и мартенситные точки:

Точка	Температура	Точка	Температура
АС1	770 `С	Аrcm	740 `C
Аr1	665 `C	АС3	860 `C
АСm	825 `C

 

В исходном состоянии структура  стали – мелкозернистый перлит и феррит.

Рекомендуемая термообработка: закалка с 860 °С в масле, отпуск 200 °С; цементация при 920...950 °С, закалка 920...840 °С масло, отпуск 180...200 °С.

Для повышения прочности зубчатых колес и червяков  в промышленности используют комбинированный метод. Он заключается в том, что сначала рабочие поверхности зубьев подвергаются закалке, а затем упрочняют впадины. В результате предел выносливости увеличивается на 40-50 %. Закалка производится после нагрева в ТВЧ и снижает сопротивление усталости шестерен. На специальной установке происходит упрочнение впадин зубчатых колес. После обработки комбинированным методом прочность зубьев колес значительно возрастает. Иногда вместо закалки деталей ТВЧ применяют химико-термическую обработку. После закалки зубчатых колес при нагреве ТВЧ предел выносливости повышается на 114 %, после диффузионного хромирования на 134 %, после азотирования на 240 %. Повышение прочности зубьев колес возможно при повторно-изгибающем нагружении ударным наклепом, включая черновое образование профиля зубьев ударами профилированного бойка. После упрочнения впадин зубьев стальных колес ударной чеканкой, сопротивление усталостному разрушению от изгибающих нагрузок возрастает на 60 % по максимальным нагрузкам цикла и на 160 % по предельной амплитуде цикла.