исходный файл

Задание 23
1. Начертите в масштабе диаграмму состояния железо-углеродистых
сплавов, проставьте буквенные обозначения. Назовите фазы и
структурные составляющие в каждой области диаграммы.
3
2. Какие фаза при комнатной температуре находятся в сплаве с
0,6 %С? Как называется этот сплав и какую структуру имеет при 20 С.
6
3. Напишите схему, в результате которой образуется эвтектоид
(перлит) Укажите температуру, при которой осуществляется
эта реакция и химический состав фаз, участвующих в реакции.
Что представляют собой эти фазы, какую имеют кристаллическую
решётку и свойства?
7
4. Дана сталь марки У12А. Укажите класс этой стали по качеству, а
также среднее значение углерода и структуру этой стали при
комнатной температуре в соответствии с диаграммой железо-углерод
9
5. В высокопрочном чугуне содержится 0,8 % связанного углерода.
Какая структура в этом чугуне: форма графита и строение
металлической основы
10
Литература
14
2
1. Начертите в масштабе диаграмму состояния железо-углеродистых
сплавов, проставьте буквенные обозначения. Назовите фазы и
структурные составляющие в каждой области диаграммы
Рисунок 1 – диаграмма железо-углерод
В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.
1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
2. Феррит (Ф) (C) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.
Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 %
при температуре 727o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.
При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит () , с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499 o
С (точка J). Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности В=300 МПа) и пластичен (относительное
удлинение 30%), магнитен до 768o С.
3. Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.
Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.
3
Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную – 2,14 %
при температуре 1147o С (точка Е).
Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное
удлинение 40-50% ), парамагнитен.
При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.
4. Цементит –(Ц), (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию
солидус).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается
по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый
раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора
кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться
кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой
фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая
называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3 Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной
кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.
Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических –
цементит (первичный)+ледебурит.
Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа
в α-железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита
в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из
аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется
вторичным цементитом.
4
В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените
0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного
выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения
аустенита в перлит можно записать формулой А0,8 П [Ф0,03+Ц6,67].
Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным
цементитом.
Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точка Q),
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 727ºС имеют структуру
феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки
по границам зерен.
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при
охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие
уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S),
превращаясь 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 727ºС состоит из
ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже
727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
5
2. Какие фазы при комнатной температуре находятся в сплаве с 0,6
%С? Как называется этот сплав и какую структуру имеет при 20
С.
Сплав железа с углеродом, содержащий 0,6% С, называется доэвтектической сталью. Структура при комнатной температуре – Аустенит+Перлит
Рисунок 2 – Кривая охлаждения стали 60
Для стали 60
1–2 (1460-1400)– первичная кристаллизация, образование аустенитной
структуры
2–3 (1400-790) – охлаждение твердого сплава (превращений нет)
3–4 (790-727) – вторичная кристаллизация; 3 – образование насыщенного твердого раствора углерода в Fe. Понижение температуры приводит к
диффузии избыточного углерода к граница зерен, в результате на границах
образуются зоны с высоким содержание углерода, которые превращаются в
Ц.
4–4' (727) – эвтектоидное превращение А в П; 4' – конец превращения; t
= 727° C =const .
Ниже 4' – остывание сплава, идет процесс третичной кристаллизации,
ЦIII из феррита (теоретически), фазовый состав Феррит + Перлит
6
3. Напишите схему, в результате которой образуется эвтектоид (перлит) Укажите температуру, при которой осуществляется эта реакция и химический состав фаз, участвующих в реакции. Что представляют собой эти фазы, какую имеют кристаллическую решётку
и свойства?
При образовании механических смесей особо выделяют однородные
механические смеси, которые являются самостоятельными структурными
составляющими и при рассмотрении в микроскоп выглядят однородными
участками.
Если однородная механическая смесь образовалась при кристаллизации из жидкого состояния, то она называется эвтектикой. Например, при
кристаллизации белого чугуна содержащего 4,3%С образуется эвтектика
(однородная механическая смесь состоящая из аустенита и цементита), которая имеет специальное название ледебурит.
Если однородная механическая смесь кристаллов образовалась в твердом состоянии, то она называется эвтектоидом. Например, в углеродистой
стали содержащей 0,83%С при охлаждении ниже 7230 аустенит распадается
на феррит и цементит. Такая однородная механическая смесь в сталях имеет
специальное название - перлит. Таким образом, перлит является механической мелкодисперсной смесью двух фаз – феррита и цементита
В зависимости от формы различают пластинчатый и зернистый перлит.
В зернистом перлите цементит находится в виде зёрен, а в пластинчатом в
виде пластин. Дисперсность перлита зависит от скорости охлаждения аустенита. При высоких температурах (при малой степени переохлаждения) получается грубая смесь феррита и цементита - перлит. При увеличении степени
переохлаждения дисперсность структур возрастает. Более тонкого строения
перлит получил название сорбит. При температуре, приблизительно совпадающей с С-образной кривой, дисперсность продуктов возрастает на столько,
что их нельзя дифференцировать под микроскопом, но пластинчатое строение выявляется электронными средствами. Такая структура называется троостит. Образующаяся ниже изгиба С-образной кривой и до начала мартенситного превращения игольчатая структура получила название бейнита.
7
Рисунок 3 - Диаграмма изотермического распада аустенита
4. Дана сталь марки У12А. Укажите класс этой стали по качеству, а
также среднее значение углерода и структуру этой стали при комнатной температуре в соответствии с диаграммой железо-углерод
Инструментальные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1435–
90 маркируют буквой «У» и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют
качественные стали марок У12 и высококачественные стали марок У12А,
химический состав которых приведен в табл. 1.
Сталь У12А применяется для инструментов с пониженной износостойкостью при умеренных и незначительных удельных давлениях (без разогрева
режущей кромки): напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравированных инструментов.
Таблица.1 - Марки и химический
углеродистых сталей (ГОСТ 1435–90)
состав
инструментальных
Массовая доля элемента, %
Марка
Серы Фосфора
стали Углерода Кремния Марганца
не более
У12А
1,15–1,25 0,17–
0,33
0,17–0,33
8
0,025 0,025
Рисунок 4 - Кривая охлаждения Стали У12А
При комнатной температуре структура стали У12 – перлит+ Цементит
Углеродистые заэвтектоидные стали после горячей пластической обработки {ковки или прокатки) и последующего охлаждения на воздухе имеют структуру, состоящую из пластинчатого перлита и избыточного цементита, который обычно образует сплошную или прерывистую сетку но границам бывших зерен аустенита.
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.
9
5. В высокопрочном чугуне содержится 0,8 % связанного углерода.
Какая структура в этом чугуне: форма графита и строение металлической основы
В зависимости от формы графита и условий его образования различают
следующие группы чугунов: серый – с пластинчатым графитом; высокопрочный – с шаровидным графитом; ковкий – с хлопьевидным графитом. Схемы
микроструктур чугуна в зависимости от металлической основы и формы графитовых включений представлены на рис. 5.
Рисунок 5 - Схемы микроструктур чугуна в зависимости от металлической
основы и формы графитовых включений
Наиболее широкое распространение получили чугуны с содержанием
углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется
графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество
углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не
менее 2,4 %.
Углерод и кремний способствуют графитизации, марганец затрудняет
графитизацию и способствует отбеливанию чугуна. Сера способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства, ее содержание ограничено –
0,08…0,12 %. Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает жидкотекучесть, Фосфор является в чугунах полезной примесью, его содержание
– 0,3…0,8 %.
10
Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей
формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении
концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в
максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная
форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность
зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение ( ) дпя серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высокопрочных – до
15%.
Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких
способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.
Положительные стороны наличия графита:
 графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;
 чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку
поверхностей трения;
 из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;
 детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);
 чугун значительно дешевле стали;
 производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий
из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.
Серый чугун. Структура не оказывает влияние на пластичность, она
остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита
меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.
Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко
обрабатывается и обладает хорошими свойствами.
В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ
1412).
Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.
Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %;
марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.
Структура металлической основы зависит от количества углерода и
кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается сте11
пень графитизации и склонность к образованию ферритвой структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.
Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на
СЧ 15.
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 %.
Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на
ВЧ 100.
Ковкий чугун 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. 6.
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…720oС, происходит разложение
цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из
феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).
12
Рисунок 6 - Отжиг ковкого чугуна
При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 6) 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).
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 числами,
первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на
, а второе – относительное удлинение - КЧ 30 - 6.
Указанное в задание содержание связанного углерода 0,8 % в чугуне
указывает на то, что это перлитный высокопрочный чугун ВЧ 80.
13
Литература
1.
Солнецев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. СПб, Химиздат, 2007.
784 с.
2.
Стали и сплавы. Марочник сталей и сплавов/ В.Г. Сорокин. М.: Интернет инженериг, 2001. 608 с.
3.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.М.: Машиностроение,
1990. 528 с.
4.
Материаловедение и технология металлов: Учеб. для вузов/ Под ред.
Г.П.Фетисова.- М.: Высшая школа, 2000.- 638 с.
5.
В.Т. Жадан, П.И. Полухин, А.Ф. Нестеров, А.Ф. Вишкарев, Б.Г. Гринберг «Материаловедение и технология материалов», М, Металлургия, 1994 г.
6.
«Материаловедение» учебник для ВУЗов /Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. -3-е изд.,
переработ. И доп. – М.:Изд-во МГТУ им. Н.э. Баумана, 2001.
14