Теоретические вопросы, расшифровка марок сталей и сплавов, диаграмма железо-цементит

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными  и имеют структуру чистого  феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали  при температуре ниже 727°С имеют  структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в  виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727°С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращается в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических  чугунов при температурах ниже 727°С состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727°С состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает  зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где    С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних  факторов (внешним фактором считаем  только температуру, так как  давление за исключением очень  высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся  в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 3,0% С, называется доэвтетическим чугуном. Его структура при комнатной температуре                перлит + цементит (вторичный) + ледебурит (перлит + цементит).

На оси содержания углерода находим значение 3,0% и проводим в этой точке перпендикуляр (рис. 1).

Это перпендикуляр последовательно  пересекает:

- от температуры 1600⁰С до 1300⁰С идет фаза жидкость.

- от температуры 1300⁰С до 1147⁰С идет фаза жидкая фаза + аустенит;

- от температуры 1147⁰С до 727⁰С идет фаза аустенит + цементит + ледебурит (аустенит+цементит);

- от температуры 727⁰С и далее идет область, содержащая перлит + цементит (вторичный) + ледебурит (перлит + цементит).

 

                                                        

а)                                                                                 б)

Рисунок 1: а-диаграмма железо-цементит,

б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,0 % углерода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 4. Для детали из углеродистой стали  45 диаметром 50 мм укажите назначение и определите температуры нагрева, время нагрева, скорость охлаждении и охлаждающие среды для: отжига, нормализации; закалки, отпуска.

Сталь 45 применяется для изготовления : вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностной термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.

Химический  состав стали 45

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0.17-0.37
Марганец (Mn)	0.50-0.80
Медь (Cu), не более	0.25
Мышьяк (As), не более	0.08
Никель (Ni), не более	0.25
Сера (S), не более	0.04
Углерод (C)	0.42-0.50
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr), не более	0.25

 

Температура закалки

Содержание углерода в стали 45 составляет 0,45%. По рис.1 найдём необходимую температуру закалки  стали с таким содержанием  углерода. Проведём вертикальную линию  до пересечения с линией закалки, и получим температуру закалки 850^оС.

Охлаждающая среда

Стали с содержанием  углерода от 0,3 до 0,6% обычно охлаждают  в воде. Детали со сложной конфигурацией, с резкими переходами от малого сечения  к большому и массивные детали охлаждать в воде опасно, так как на них могут появиться трещины.

В этом случае применять  следующий режим охлаждения. На несколько  секунд погрузить деталь в воду, а затем быстро перенести ее в  масло. Ориентировочное время охлаждения в воде до переноса в масло составляет 1... 1,5 с на каждые 5...6 мм сечения детали. Такой способ охлаждения получил название «через воду в масло» или прерывистой закалки.

При этом сталь 45 закаливаются на глубину 4...5 мм, а глубже будут  частично закаленная зона и незакаленная сердцевина.

 

 

 

 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Диаграмма состояния железо - углерод для определения температуры  нагрева сталей при термической  обработке. 

Отпуск

Целесообразно будет применить высокий отпуск до температуры 450...650°С, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе. При таком отпуске почти полностью ликвидируются закалочные напряжения, увеличивается пластичность и вязкость, хотя заметно уменьшается твердость и прочность стали.

По справочным данным найдём микроструктуру и свойства стали 45 после высокого отпуска:

Предел прочности: σ_в = 680-770 кгс/мм2

Удлинение: δ = 14-16 %

Относительное сужение  образцов при разрыве Ψ = 52-58 %. Параметр Ψ наиболее полно отражает запас  пластичности стали.

Ударная вязкость: ан (КСU) =600-900 Дж/м2

После закалки в воде углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали эта структура в изделиях диаметром более 20.25мм образуется только в сравнительно тонком поверхностном слое толщиной до 2.4 мм. Последующий отпуск вызывает превращение мартенсита в сорбит только в тонком поверхностном слое, но не влияет на структуру и свойства основной массы изделия. Сталь со структурой сорбита отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем та же сталь со структурой сорбита закалки или имеющая феррито-перлитную структуру.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 5 Расшифруйте марки и укажите  назначение материалов.

 

Сталь 30 – углеродистая качественная конструкционная сталь со средней массовой долей углерода 0,30 %, степень раскисления - спокойная сталь.

 

Ст1 – сталь конструкционная  углеродистая обычного качества, нелегированная, группа поставки А – по механическим свойствам, условный № марки 1, степень раскисления - без степени раскисления.

 

Сталь 60С2Н2А – рессорно-пружинная высококачественная сталь со средней массовой долей углерода 0,60 %, кремния – 2%, никеля – 2%.

 

СЧ10 – отливка из серого чугуна с минимальным значением  временного сопротивления при растяжении 100 МПа.

 

Сталь У12 – углеродистая инструментальная нелегированная высококачественная сталь со средней массовой долей углерода 1,2%.

 

ТТ20К9 – спеченый твердый  сплав титано-тантало-вольфрамовой группы со средней массовой долей  карбидов титана и тантала 20%, кобальта – 9%, остальное (71%) – карбид вольфрама.

 

АК4 – сплав алюминиевый  ковочный, условный номер сплава  - 4.

 

АК12М2 – алюминиевый  сплав со средней массовой долей  кремния 12%, меди – 2%, остальное (86%) –  алюминий.

 

Л85 – латунь простая  со средней массовой долей меди – 85%, остальное         (15%) – цинк.

 

БрБ2 – бронза безоловянная со средней массовой долей бериллия 2%, остальное (98%) – средняя массовая доля меди.

 

ВТ15 – высокопрочный  титановый сплав, обрабатываемый давлением, условный номер – 15.

 

Б16 – оловянный баббит со средней массовой долей олова 16%.

 

Гетинакс – в данном случае маркировка отсутствует, поэтому вкратце про материал:

Относится к слоистым электроизоляционным пластмассам, которые представляют собой слоистые пластмассы, в которых в качестве связывающего вещества применяются бакелитовые (резольные) или кремнийорганические смолы, переведенные в неплавкое и нерастворимое состояние. В качестве наполнителей - , например, гетинакс.

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой в стадии А или другими смолами этого же типа. Для производства используется прочная и нагревостойкая пропиточная бумага. Пропитку производят с помощью водной суспензии формальдегидной смолы. Листы бакелизированной бумаги после их сушки собирают в пакеты и эти пакеты прессуют на гидравлических прессах при температуре 160°С под давлением 10—12 МПа. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает, переходя в неплавкую стадию резита. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал. Гетинакс относится к числу сильнополярных диэлектриков, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладают полярными свойствами.

Гетинакс используется для изготовления различного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований. Бывает следующих марок: А, Б, В, Г, Д, В_с – для работы при частоте 50 гц и А_В, Б_В, В_В, Г_В, Д_В – для работы на высокой частоте. Гетинакс марок А и Б – обладает повышенной электрической прочностью, Г – повышенной стойкостью к влаге, В – повышенной механической прочностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 6 Выберите марку сплава (материала) для:

 

- распределительного вала, изготовляемого литьем. Условия работы распределительного вала достаточно сложные. Он обязан выдерживать перепады работы двигателя при самых разных оборотах коленчатого вала, при плюс 1000°С в цилиндрах и минус 50°С на улице, часами, а порой и сутками, непрерывно, почти без отдыха. При этом вал должен не только заставлять двигаться связанные с ним клапаны, но и беречь их от перегрузок. Поэтому для изготовления распределительного вала  выбираем в качестве материала Серый  чугун (ГОСТ 1412), который легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

 

- особоответственных толстых пружин, работающих при динамических нагрузках. В пружинах, как в упругих элементах, используются только упругие свойства стали. Возникновение пластической деформации в них недопустимо, поэтому высоких требований к пластичности и вязкости не предъявляется. Основное требование к пружинной стали - высокий предел упругости. Кроме того, многие пружины и рессоры подвергаются воздействию циклических нагрузок. Поэтому от пружинных сталей также требуется высокий предел выносливости. Хорошие упругие свойства стали достигаются при повышенном содержании углерода (0,5-0,7 %) и применении термообработки, состоящей из закалки и среднего отпуска при температуре 350-450°С. После такой термообработки сталь имеет троститную структуру. Пружинные стали должны иметь хорошую закаливаемость и прокаливаемость. Мартенситная структура после закалки должна быть по всему сечению. Наличие немартенситных продуктов превращения аустенита после закалки снижает упругие свойства стали. В нашем случае для особо ответственных крупных пружин, работающих в условиях значительных динамических нагрузок, применяем улеродистую пружинную сталь, содержащую никель 60С2Н2А.

- заливки подшипников скольжения для закаленного вала. Условия работы деталей - ударные и постоянные нагрузки при высоких скоростях скольжения. В качестве материала необходимо выбрать антифрикционный сплав БК2 по ГОСТ 1320-74 – баббитовые вкладыши.

 

 

 

 

 

 

- режущего элемента на резец для чистовой обработки отбеленного чугуна. При чистовом точении резцы снимают стружку небольших сечений, но работают (сравнительно с черновым точением) при высоких скоростях резания и не должны при этом терять своей твердости. Кроме того, материалы чистовых резцов должны быть такими, чтобы их режущая кромка хорошо сопротивлялась износу от истирания. В соответствии с этими требованиями для чистовых резцов при обработке стальных и чугунных деталей применяются в качестве режущих материалов быстрорежущая сталь, выбираем ВК6ОМ.