МУ збКТО. 1. введение. Кристаллическое строение металлов предмет материаловедение. Атомнокристаллическая структура металлов. Дефекты кристаллического строения металлов. Строение металлического слитка. Модифицирование металлов

• Название: 1. введение. Кристаллическое строение металлов предмет материаловедение. Атомнокристаллическая структура металлов. Дефекты кристаллического строения металлов. Строение металлического слитка. Модифицирование металлов
• Дата: 30.01.2022
• Размер: 227.5 Kb.
• Имя файла: МУ збКТО.doc
• Тип: Документы; #346759
• страница: 3 из 3

Ответ:

Рис.3 - Диаграмма железо – цементит
1.Построение кривых охлаждения.

Важным элементом анализа диаграммы (рис.3) является построение кривых охлаждения. Температурные остановки на этих кривых означают, что превращение идет при постоянной температуре, а наклонные участки, ограниченные перегибами, что превращение идет в интервале температур ( вогнутые наклонные участки показывают, что происходит охлаждение фазы или фаз). Кривые охлаждения можно построить , пользуясь правилом фаз:
28

C = к – ф + 1,

где к – число компонентов,

ф – число фаз.
Если С равно нулю, то превращение протекает при постоянной температуре.

Если С равно 1, то превращение протекает в интервале температур.

Если С равно 2, то в равновесии находится одна фаза, которая охлаждается (нагревается).

На рис.4 представлена кривая охлаждения сплава Fe – 2,5 %C. Этот сплав состоит из двух компонентов (к = 2).
2. Описание фазовых превращений.

До температуры, соответствующей точке 2 (от точки 1 до точки 2), идет охлаждение жидкой фазы, при этом состав и количество фаз не меняется. Число степеней свободы С = к –ф +1 = 2 –1 +1 =2. Это означает, что в известных пределах (не выходя из однофазной области) можно изменять два параметра – температуру и состав фазы. При температуре Т₂ ( точка 2 ) начинается процесс кристаллизации жидкой фазы с образованием кристаллов аустенита состава точки 6. При дальнейшем охлаждении до температуры точки 3 продолжается процесс кристаллизации аустенита, при этом состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус 2 – С, а состав аустенита – по линии солидус 6 - Е. Процесс кристаллизации сопровождается выделением тепла, что замедляет охлаждение, и на кривой охлаждения будет перегиб (т. 2). Кристаллизация жидкой фазы идет не при постоянной температуре, а в интервале температур, так как С = 2 – 2 + 1 = 1.

При температуре точки 3 из жидкой фазы, состав точки С, будет одновременно кристаллизоваться две твердые фазы – аустенит и цементит – по эвтектической реакции:

Ж_с → А_Е + Ц.
29

Рис.4 – Кривая охлаждения для сплава, содержащего 2,5 %С

В равновесии при эвтектической реакции всегда находится три фазы: жидкая состава точки С и две твердые – аустенит состава точки Е и цементит, которые образуют эвтектику – ледебурит. Число степеней свободы С = 2 – 3 + 1 = 0, поэтому данное превращение должно идти при постоянной температуре и на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка 3 –3^′.

При охлаждении от температуры точки 3 до температуры точки 4 из-за уменьшения растворимости углерода в аустените из него выделяется избыточный цементит, и состав аустенита при этом меняется по линии ES. Этот процесс сопровождается выделением небольшого количества теплоты, поэтому участок 3-4 кривой охлаждения не так выгнут, как участок 2-3. Выделение цементита из аустенита происходит в интервале температур, поскольку С = 2 – 2 + 1 = 1. При температуре точки 4 протекает эвтектоидная реакция

A_S → Ф_Р + Ц.
30

В равновесии при эвтектоидной реакции находятся три фазы: аустенит состава точки S, феррит состава точки Р и цементит. Смесь феррита и цементита образует эвтектоид - перлит. Число степеней свободы С = 2 – 3 + 1 = 0, поэтому данное превращение должно идти при постоянной температуре и на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка 4 -4^′.

Ниже температуры, соответствующей точке 4 в равновесии находятся две фазы – феррит и цементит. В интервале температур 4 – 5 идет превращение, связанное с изменением растворимости компонентов друг в друге. Ход линий PQ и KL показывает, что растворимость углерода в железе уменьшается с понижением температуры, а растворимость железа в цементите не изменяется, вследствие этого при охлаждении из феррита будет выделяться избыточный цементит. На кривой охлаждения этому превращению будет соответствовать участок 4^′ -5. Число степеней свободы С = 2 – 2 +1 = 1.
3. Определение состава и количества фаз.

Для определения состава и количества фаз надо воспользоваться правилом отрезков. При этом важно помнить:

-правило отрезков применяется только в двухфазной области диаграммы состояния;

-чтобы определить состав фаз в заданном сплаве при заданной температуре, нужно через точку, характеризующую состояние

сплава, провести горизонтальную линию (коноду) до границ двухфазной области. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз, а отношения обратных отрезков позволяют определить количества той или иной фазы по отношению к общему весу сплава.

В качестве примера определим состав и количество фаз в заданном сплаве (Fe +2,5%C) при температуре 1250⁰С. При этой температуре в данном сплаве в равновесии находятся две фазы – жидкий раствор и аустенит. Через точку 8, соответствующую температуре 1250⁰С, необходимо провести горизонтальную линию 7-9 (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную двухфазную область (линиями ликвидус и солидус). Точка пересечения коноды с линией ликвидус (точка 9), спроектированная на ось кон-
31

центраций, покажет состав (содержание каждого из компонентов) жидкой фазы при температуре 1250 ⁰С, а именно – 3,5 %С, 96,5 %Fe. Проекция точки пересечения коноды с линией солидус (точка 7) будет характеризовать состав аустенита – 1,5 %С, 98,5 %Fe.

По правилу отрезков количество каждой из двух фаз в конкретном сплаве пропорционально противолежащим данной фазе отрезкам. В нашем случае количество жидкой фазы
Q_ж = • 100% = •100% = 50%.

А количество аустенита

Q_A = • 100% = •100% = 50%.

Задание 4. Выберите быстрорежущую сталь повышенной теплостойкости, пригодную для производительного резания жаропрочных сталей. Расшифруйте состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки.
Ответ:

Режущие инструменты для производительного резания изготовляют из быстрорежущих сталей, так как эти стали обладают теплостойкостью. Они сохраняют мартенситную структуру и высокую твердость при повышенном нагреве (500 – 650 С), возникающем в режущей кромке.

Однако стойкость инструментов из быстрорежущих сталей, подвергавшихся оптимальной термической обработке, определяется не только их химическим составом, структурой и режимом резания, но сильно зависит от свойств обрабатываемого материала.

При резании сталей и сплавов с аустенитной структурой (нержавеющих, жаропрочных и др.) стойкость инструментов и предельная скорость резания могут сильно снижаться по сравнению с
32

получаемыми при резании обычных конструкционных сталей и чугунов с относительно невысокой твердостью (до НВ 220250). Это связано главным образом с тем, что теплопроводность аустенитных сплавов пониженная. Вследствие этого тепло, выделяющееся при резании, лишь в небольшой степени поглощается сходящей стружкой и деталью и в основном воспринимается режущей кромкой. Кроме того, эти сплавы сильно упрочняются под режущей кромкой в процессе резания, из-за чего заметно возрастают усилия резания.

Для резания подобных материалов мало пригодны быстрорежущие стали умеренной теплостойкости, сохраняющие высокую твердость (НRС 60) и мартенситную структуру после нагрева не выше 615 – 620 С. Для обработки аустенитных сплавов необходимо выбирать быстрорежущие стали повышенной теплостойкости, а именно кобальтовые. Кобальт способствует выделению при отпуске наряду с карбидами также и частиц интерметаллидов, более стойких против коагуляции, и затрудняет процессы диффузии при температурах нагрева режущей кромки. Кобальтовые стали сохраняют твердость НRС 60 после более высокого нагрева: до 640 – 645 С. Кроме того, кобальт заметно (на 30 – 40 %) повышает теплопроводность быстрорежущей стали, а следовательно, снижает температуры режущей кромки из-за лучшего отвода тепла в тело инструмента. Наконец, стали с кобальтом имеют более высокую твердость (до НRС 68 у стали Р8М3К6С).

Для сверл и фрез, применяемых для резания жаропрочных сталей, рекомендуются кобальтовые стали марок Р12Ф4К5 или Р8М3К6С. Химический состав (средний) предложенных сталей:

Р12Ф4К5 (ЭП600) – 1,3 %С; 0,3 %Mn; 0,3 %Si; 3,8 %Cr; 12,5 %W; 1,0 %Mo; 3,5 %V; 5,5 %Co;

Р8М3К6С – 1,1 %С; 0,9 %Mn; 0,3 %Si; 3,8 %Cr; 8,0 %W; 3,6 %Mo; 1,7 %V; 6,0 %Co.

Термическая обработка кобальтовых сталей следующая. Инструменты закаливают с очень высоких температур (1240–1250 С для стали Р12Ф4К5 и 1210 – 1220 С для стали Р8М3К6С), что необходимо для растворения большего количества карбидов и насыщения аустенита (мартенсита) легирующими элементами: вольфрамом, молибденом, ванадием и хромом.
33

Еще более высокий нагрев недопустим: он вызывает рост зерна, что снижает прочность и вязкость. Микроструктура стали после закалки: мартенсит, остаточный аустенит (15 – 30 %) и избыточные карбиды, не растворяющиеся при нагреве и задерживавшие рост зерна. Твердость НRС 60 – 62.

Затем инструменты отпускают при 550 – 560 С (три раза по 60 минут). Отпуск вызывает: выделение дисперсных карбидов и интерметаллидов из мартенсита (дисперсионное твердение), что повышает твердость до НRС 66 – 69; превращает мягкую составляющую – остаточный аустенит в мартенсит; снимает напряжения, вызываемые мартенситным превращением.

После отпуска инструменты шлифуют, а затем подвергают цианированию, чаще всего жидкому в смеси NaCN (50 %) и Na₂CO₃ (50 %) с выдержкой 15 – 30 минут (в зависимости от сечения инструмента). Твердость цианированного слоя на глубину 0,02 – 0,03 мм достигает НRС 69 – 70; немного ( на 10 С) возрастает и теплостойкость. При нагреве для цианирования снимаются также напряжения, вызванные шлифованием. Цианирование повышает стойкость инструментов на 50 – 80 %. После цианирования целесообразен кратковременный нагрев при 450 – 500 С в атмосфере пара и с охлаждением в масле; поверхность инструмента приобретает тогда синий цвет и несколько лучшую стойкость против воздушной коррозии.
Задание 5. Для изготовления вала двигателя диаметром 70 мм, работающего с большими нагрузками, выбрана сталь 20ХН3А. Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данная сталь по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование. Опишите микроструктуру и главные свойства стали после термической обработки.
Ответ:

Химический состав стали 20ХН3А: 0,17-0,23 %С; 0,30-0,60 %Mn; 0,17-0,37 %Si; 0,60-0,90 %Cr; 2,75-3,15 %Ni; 0,025 %S; 0,025 %P. Данная сталь относится к классу высококачественной конструкционной легированной стали.
34

В состоянии поставки (после прокатки и отжига) сталь 20ХН3А имеет твердость не более НВ 250, предел прочности _в не превышает 67-75 кгс/мм², предел текучести _т составляет 35-40 кгс/мм².

Для повышения величины предела прочности и предела текучести вал необходимо подвергнуть термической обработке. Для повышения прочностных характеристик можно применять нормализацию или закалку с высоким отпуском. Последний вариант обработки сложнее, но позволяет получить не только более высокие характеристики прочности, но и более высокую вязкость.

Так как вал двигателя воспринимает в работе динамические нагрузки, а также и вибрации, более целесообразно в данном случае применить закалку и отпуск, чем нормализацию.

Сталь 20ХН3А легирована никелем и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки достаточно однородные структуру и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм.

Для стали 20ХН3А рекомендуется режим термической обработки:

1. Закалка с 820 – 835 С в масле. При закалке с охлаждением в масле возникают меньшие напряжения, а, следовательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсит закалки и твердость не ниже HRC 50.

2. Отпуск при температуре 520 – 530 С. Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом (марганцем), вал после нагрева следует охлаждать в масле.

После закалки и высокого отпуска (улучшения) сталь имеет структуру сорбит отпуска (сорбит зернистый) и твердость не ниже HRC 25.

Механические свойства стали 20ХН3А в изделии диаметром до 75 мм после термической обработки: предел прочности _в = 90 – 100 кгс/мм²; предел текучести _т = 75 – 80 кгс/мм^2;; относительное удлинение = 8- 10 %; относительное сужение = 45 – 50 %.

Эти свойства обеспечивают требования для вала двигателя диаметром 70 мм, работающего с большими нагрузками.


35