Изотермическая закалка валика из стали 45

СОДЕРЖАНИЕ

1.              Объясните процесс изотермической закалки валика из стали 45. Пользуясь диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов, найдите температуру нагрева для закалки данной стали и обоснуйте свой выбор. Укажите, как изменяются структуры и свойства стали в результате изотермической закалки               3

2.              Пользуясь диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов, опишите структурные превращения в стали 40 при медленном охлаждении ее из расплавленного состояния. Дайте характеристику аустенита, перлита, цементита                6

3.              Объясните маркировку и применение следующих материалов: Л96, Бр0Ф10-1, У10А, КЧЗЗ-8, НК5                12

Список литературы               13

1.                 Объясните процесс изотермической закалки валика из стали 45. Пользуясь диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов, найдите температуру нагрева для закалки данной стали и обоснуйте свой выбор. Укажите, как изменяются структуры и свойства стали в результате изотермической закалки

В результате изотермической закалки нагретую до закалочных температур деталь быстро переносят в закалочную среду, имеющую температуру несколько выше температуры начала мартенситного превращения (250–300°С для углеродистых сталей), и выдерживают в течение времени, необхолимого для полного превращения переохлажденного аустенита. В результате получается структура нижнего бейнита.

Сталь 45 – среднеуглеродистая конструкционная сталь (0,45%) – доэвтектоидная. Для доэвтектоидных сталей применяют полную закалку с температур на 30…50ºС выше критической температуры Аc3.

Значение температуры Ас3 определим при помощи железоцементитной диаграммы:

Рис. 1. Стальной угол диаграммы Fe-Fe3C

Таким образом, закалку проводим с температуры 800ºС, водой.

Как видно из рисунка 1, аустенит устойчив в углеродистой стали при температуре выше 727° С. Он может сохраняться в течение некоторого времени и при более низких температурах, но в этих условиях аустенит неустойчив и стремится превратиться в другие структуры.

Процесс распада аустенита и получаемые в результате распада структуры зависят от степени переохлаждения. Под степенью переохлаждения аустенита понимают разность между равновесной температурой и температурой, при которой в действительности происходит превращение.

При сравнительно малых степенях переохлаждения аустенит превращается в феррито-цементитную смесь.

Процесс образования бейнита легче всего представить на диаграмме изотермического превращения аустенита, рис. 2:

Рис. 2. Диаграмма изотермического превращения аустенита в бейнит

Аустенит превращается в перлит при небольших степенях переохлаждения. С увеличением степени переохлаждения пластинки феррита и цементита становятся мельче. Мелкопластинчатый перлит, образующийся при 650–600° С, называют сорбитом. Пластинчатое строение перлита можно обнаружить на световом микроскопе при увеличении в 300–500 раз. Пластинчатое строение сорбита дифференцируется только при увеличении около 2000 раз. В районе выступа кривых начала и конца распада получается очень тонкодисперсный перлит, который называют трооститом. Пластинчатое строение троостита нельзя обнаружить при помощи светового микроскопа (расстояние между пластин и меньше разрешающей способности микроскопа). Но отдель-к е пластинки хорошо различимы при исследовании структуры под электронным микроскопом при увеличении в 7000–10000  раз.

Ниже выступа кривых начала и конца распада аустенит превращается в особую структуру, называемую бейнитом. Подобно трооститу, он состоит из мелкодисперсных частичек феррита и цементита. Размер этих частиц еще меньше, чем у троостита. Превращение аустенита в бейнит происходит при относительно низких температурах. Превращение сопровождается увеличением объема, приводящим к большим внутренним напряжениям. В аустените происходят сдвиги слоев атомов внутри зерен. По линиям сдвига образуются пластинки бейнита.

В связи с различным строением продукты распада аустенита обладают разными механическими свойствами. Перлит наиболее пластичен, но твердость и прочность его ниже, чем у остальных структур. По мере повышения дисперсности строения прочность возрастает, а пластические свойства снижаются. Сорбит пластичнее троостита,

Который в свою очередь пластичнее бейнита. Твердость и прочность наибольшие у бейнита. В зависимости от требуемого комплекса механических свойств применяют различные режимы термической обработки, обеспечивающие получение соответствующих структур и механических свойств.

2.                 Пользуясь диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов, опишите структурные превращения в стали 40 при медленном охлаждении ее из расплавленного состояния. Дайте характеристику аустенита, перлита, цементита

Сталь 40 – углеродистая конструкционная сталь, содержание углерода в стали 0,4% – доэвтектоидная. Рассмотрим диаграмму железо-цементит и построим кривую охлаждения сплава 0,4%:

Диаграмма состояния Fe–Fe3C (рис. 2) характеризует фазовый состав и структуру в системе с концентрацией от чистого железа до цементита, содержащего 6,67 % С. По оси абсцисс диаграмма имеет две шкалы, показывающих содержание углерода в сплаве и количество цементита. Координаты характерных точек приведены в табл. 1.

Рис. 3. Диаграмма состояния Fe–Fe3C

Табл. 1. Характерные точки диаграммы состояния железо–цементит

Точки А и D характеризуют температуру плавления железа и цементита соответственно. Точки N и G – температуры полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют максимальную растворимость углерода в ОЦК решетке железа в высокотемпературной и низкотемпературной областях. Точка Е определяет максимальную растворимость углерода в железе с ГЦК решеткой. Фазовые превращения в системе Fe–Fe3C происходят как при затвердевании из жидкого агрегатного состояния, так и в твердом агрегатном состоянии. Первичная кристаллизация идет в областях между линиями ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация в твердом агрегатном состоянии является следствием полиморфного превращения железа и изменения растворимости углерода в железе с изменением температуры.

На линии ликвидус начинается кристаллизация из расплава соответственно на участке АВ – феррита (δФ) , на участке ВС – аустенита (А) и на участке СD – цементита первичного (ЦI). На линиях АН и JЕ завершается кристаллизация δФ и аустенита из жидкой фазы. Для диаграммы Fe–Fe3C характерны три изотермических превращения:

– перитектическое на линии HJВ при температуре 1499 °С

ФН + ЖB АJ;

– эвтектическое на линии ECF при температуре 1147 °С

ЖC АE + ЦF;

– эвтектоидное на линии PSK при температуре 727 °С

АS ФP + ЦK.

В системе железо – цементит различают следующие фазы: жидкий расплав, твердые растворы – α-феррит, δ-феррит и аустенит, а также цементит.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода и других примесей в ОЦК-железе. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,031 нм, а также в дефектах кристаллической решетки. Предельная растворимость углерода в α-феррите 0,02% при температуре 727 ºС и менее 0,01% при комнатной температуре, растворимость в δ –феррите - 0,1 %. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических (многогранных) зерен. Твердость и прочность феррита невысоки (σв=250 МПа, НВ =800 МПа).

Аустенит (А) – твердый раствор углерода и других примесей в γ-железе. Предельная растворимость углерода в γ-железе - 2,14% при температуре 1147ºС и 0,8% при 727 ºС. Атом углерода располагается в центре куба, в котором может разместиться сфера радиусом 0,051 нм, и в дефектных областях кристалла.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe3C, содержащий 6,67% С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена (около I260°С). К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость (НВ – 8000 МПа) и очень малая пластичность (δ около 0%).

Стали в зависимости от содержания углерода подразделяются на эвтектоидные, содержащие ~ 0,8 % С, доэвтектоидные (от 0,02 до 0,8 % С) и заэвтектоидные (более 0,8 и до 2,14 % С).

Сплав с содержанием углерода 0,4%С является доэвтектоидным. Кривая охлаждения для такого сплава изображена на рис. 4:

Рис. 4. Диаграмма железо-цементит, охлаждение сплава 0,4% углерода

Рассмотрим первичную кристаллизацию нашей стали 0,4% < 0,51%(т.В). Кристаллизация δ - раствора начинается в точке l и заканчивается в точке 2. При 1499° C также происходит перитектическое превращение, по окончании которого в избытке оказывается жидкая фаза (LB +ФН → AJ). От точки 2 до точки 3 продолжается кристаллизация аустенита из жидкой  фазы. Ниже точки 3 сплав охлаждается в аустенитном состоянии и охлаждается без каких-либо изменений. Углерод в доэвтектоидных сплавах понижает температуру полиморфного превращения γ→α. В нашей стали это превращение начнется на линии GS в точке 4 и будет развиваться далее с понижением температуры до точки 5. Так в сплаве появляется феррит. Концентрация углерода в уменьшающемся по количеству аустените будет изменяться по линии GS (к точке S), а концентрация углерода в увеличивающемся по количеству феррите – по линии GP (к точке Р). Как известно количество углерода в ферритной фазе весьма мало, поэтому выделение феррита должно вызывать заметное увеличение содержания углерода в аустените, что и происходит.

В точке 5 выделение феррита закончится, и сплав будет состоять из двух фаз: α р + γS.

Аустенит с содержанием 0,8 % углерода на линии РSК претерпевает эвтектоидное превращение, состоящее в том, что одновременно выделяются две кристаллические фазы: феррит предельного насыщенния (точка Р) и цементит:  γS → αP + Fe3C.

Возникающая при эвтектоидном распаде аустенита смесь феррита и цементита имеет тонкопластинчатое строение (чередующиеся пластинки  и Fе3С) и называется перлитом – по радужной окраске поверхности шлифа после травления, имеющей сходство с перламутром.

Феррит, который выделился из аустенита в интервале температур от точки 4 до точки 5,  в эвтектоидном превращении  не участвует. Во время эвтектоидного  распада аустенита  на линии РSК система состоит из трех фаз: αр, γS  и Fе3С, поэтому по правилу фаз:

С =  К + 1 – Ф = 2 + 1 – 3 = 0.

Устанавливаем, что число степеней свободы системы равно нулю. Следовательно, эвтектоидный распад аустенита происходит при постоянной температуре и при неизменной концентрации углерода во всех трех фазах.

Сразу после перлитного превращения система состоит из фаз  и Fe3C.

При дальнейшем охлаждении сплава, состоящего из феррита и цементита, ферритная фаза должна обедняться углеродом (по линии PQ) с выделением цементита, называемого третичным. Это фазовое превращение дает столь незначительные изменения в структуре, составе и количестве фаз, что при рассмотрении превращений в среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях и чугунах им можно пренебречь. Однако превращение с выделением третичного цементита имеет большое значение для мягких сортов сталей с низким содержанием углерода, так как выделения цементной фазы могут заметно ухудшать вязкость стали.

Таким образом, не учитывая третичный цементит, при комнатной температуре сталь взятого состава (0,4 % С) при комнатной температуре состоит из двух фаз: феррита и цементита, а структурные составляющие стали (после медленного охлаждения) будут представлены так:   феррит + перлит, т. е. α + (α + Fе3С).

На рис. 5 изображена микроструктура стали с 0,4 % С после медленного охлаждения (отжига). Обнаруживаются зерна феррита и перлита, иначе называемого феррито-карбидной смесью (ФКС). Светлые зерна структуры представляют собой феррит, а темные – перлит.

Рис. 5. Микроструктура доэвтектоидной стали 0,4%

Следовательно, доэвтектоидные стали при комнатной температуре после медленного охлаждения имеют одни и те же структурные составляющие: избыточный феррит + перлит, но в разных количествах в зависимости от содержания углерода.

3.                 Объясните маркировку и применение следующих материалов: Л96, БрОФ10-1, У10А, КЧЗЗ-8, НК5

Л96 – латунь, обрабатываемая давлением (Л – латунь, 96% – медь). Применение: полуфабрикаты (прутки, ленты, листы, полосы, трубы); проволока для деталей электротехники; медали и значки.

БрОФ10-1 – оловянная бронза (Бр – бронза, О – олово, Ф – фосфор, 10 – содержание олова в %, 1 – содержание фосфора в %), остальное медь. Применение: для изготовления пружин и пружинящих деталей.

У10А – инструментальная углеродистая сталь высокого качества (У – углеродистая, 10 – содержание углерода в десятых (1%), А – высокое качество). Применение: инструмент, работающий в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: метчики ручные, рашпили, надфили, пилы для обработки древесины, матрицы для холодной штамповки, гладкие калибры, топоры.