Б. Н. Гузанов к тех наук, доцент
 Скачать 425.5 Kb.
|
|
4.2. Анализ процессов охлаждения железо углеродистых сплавов различного состава Диаграмма «железо-углерод» дает возможность проследить процессы фазовых превращений, происходящих при охлаждении сплава любого состава из жидкого состояния до комнатной температуры и прогнозировать их структуру. Для такого анализа необходимо внимательно изучить все области диаграммы и фазовый состав, соответствующий им. При изменении температуры сплава заданного состава происходит переход из одной фазовой области в другую, соответственно изменяется фазовый состав и структура сплава. Например, выше линии ABCD (см. рис.1) все сплавы системы «железо-углерод» находятся в жидком состоянии. При охлаждении ниже температур, соответствующих линии АВ происходит кристаллизация (затвердевание) с образованием δ-феррита. Сплавы охлажденные ниже линии ВС кристаллизуются с образованием аустенита. После охлаждения ниже линии CD происходит образование цементита. В системе «железо-углерод» происходит три превращения. При 1499 °С (линия HJB) протекает перитектическая реакция: LB+ ФH  AI,где LB– жидкая фаза состава точки В, ФH- δ-феррит состава точки H, AI– аустенит состава точки I. В результате этой реакции образуется аустенит. Реакция эта наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,5%. При 1147 ºС (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция: LС AЕ. + Ц., где LС - жидкая фаза состава точки С, AЕ - аустенит состава точки Е, Ц – цементит. В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь аустенита и первичного цементита, которая называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, с содержанием углерода более 2,14 %, т.е. в чугунах. Чугуны подразделяют на три группы: эвтектические, содержащие 4,3 % С, доэвтектические с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % С и заэвтектические, с содержанием более 4,3 % С. При 727 °С (горизонталь РSК) протекает эвтектоидная реакция: АS ФР+ Ц., Где АS- аустенит состава точки S, ФР – феррит состава точки Р, Ц.- цементит. Продуктом превращения является эвтектоидная смесь феррита и третичного цементита, которая называется перлитом. Перлитное (эвтектоидное) превращение происходит во всех сплавах, содержащих свыше 0,02 % углерода, т. е. практически во всех промышленных железоуглеродистых сплавах. Обратите внимание на то что цементит , образующийся из жидкой фазы, называется первичным, а цементит , образующийся из аустенита называется вторичным. В зависимости от концентрации углерода различают три группы сталей: эвтектоидные, содержащие около 0,8 % С, структура которых состоит только из перлита; доэвтектоидные, содержащие меньше 0,8 % С, структура которых состоит из феррита и перлита, и заэвтектоидные, содержащие от 0,8 до 2 % С, структура которых состоит из перлита и цементита. Представленные на диаграмме состояния линии и соответствующие им превращения, часто обозначают буквами с присвоенным им номером, увеличивающимся с ростом температуры и называют критическими точками. Так, например, превращение, происходящее при 727 °С обозначают А1. В тех случаях, когда превращение происходит в процессе нагрева, его обозначают с индексом с например Ас1, а при охлаждении с индексом r – Аr1 Критические точки принадлежащие линии PSK обозначаются Ac1, соответствуют эвтектоидной реакции и началу превращения перлита в аустенит. На линии МО точка Ас2соответствует магнитному превращению феррита. На линии GS точка Ас3соответствует концу превращения феррита в аустенит для доэвтектоидных сталей. Для заэвтектоидных сталей точка Ас3 принадлежащая линии SE соответствует окончанию растворения вторичного цементита в аустените. В соответствии с тем, что фазовые превращения при нагреве и охлаждении протекают с некоторым температурным гистерезисом, то при охлаждении критические точки обозначают с индексом r, например Ar1. Точке Ас2 соответствует магнитное превращение при температуре 768 °С, происходящее при нагреве образца. Напротив, точке Аr2соответствует магнитное превращение, происходящее при охлаждении образца. Точке Ас3 соответствует определенной температуре только при заданном составе и соответствует переходу α→ γ. Следовательно, обратный переход γ→α характеризуется точкой Аr3. Наконец, точка Ас4 соответствует переходу от кристаллической решетки γ-аустенита к решетке δ-феррита. Обратное превращение δ→γ обозначается точкой Аr4. В приложении 1 приведен пример анализа процесса охлаждения стали а в приложении 2 приведена диаграмма «железо-углерод» на которой показана формирующаяся при охлаждении структура сталей и чугунов. 5. Элементы теории и технологии термической обработки металлов и сплавов 5.1. Структурные превращения в сталях Изучение этого раздела дает знания об основных фазовых и структурных превращениях в сталях, приводящих к получению требуемых свойств. Необходимо рассмотреть четыре основных превращения в сталях и усвоить, что условия нагрева, изотермической выдержки и охлаждения определяют фазовый состав, структурное состояние и, следовательно, свойства стали. Процессы, происходящие при нагреве стали в аустенитную область, приводят к росту зерна. В этом плане различаются наследственно мелкозернистые и крупнозернистые стали. При рассмотрении процессов распада переохлажденного аустенита следует, обратить внимание на различия, обусловленные характером охлаждения (непрерывное или с изотермической выдержкой). Значение диаграмм изотермического распада аустенита и термокинстических диаграмм для конкретных сталей велико, так как они достаточно полно характеризуют структуры, образующиеся при распаде аустенита, и позволяют обоснованно назначать определенные виды термической обработки. Для успешного использования диаграмм следует внимательно разобраться в зависимости структурных и фазовых превращений от температуры изотермической выдержки и условий охлаждения, четко усвоить, что существуют диффузионное (перлитное), промежуточное (бейнитное) и сдвиговое (мартенситное) превращения. Разберите диаграмму распада аустенита при непрерывном охлаждении в условиях изотермической выдержки. (С – образные кривые), а также структуры, получающиеся при разной скорости распада аустенита. Перлит, сорбит и троостит – это двухфазные структуры, представляющие собой ферритно–цементитную смесь различной степени дисперсности (размельченности), они имеют в этих условиях пластинчатое строение. При большой скорости охлаждения диффузия углерода не успевает произойти. происходит только аллотропическое превращение железа, поэтому из аустенита получается однофазная структура — мартенсит, который представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе, он имеет игольчатое строение. Запомните, что чем больше скорость охлаждения аустенита, тем тверже получающиеся структуры. Нужно знать, какая температура называется мартенситной точкой. В углеродистых сталях начало мартенситного превращения происходит около 200°С. Отметьте для себя отличие мартенситного превращения от перлитного. Запомните, что в отличие от перлитного мартенситное превращение никогда не идет до конца, поэтому в стали всегда остается определенное количество остаточного аустенита; на мартенситную точку скорость охлаждения не влияет, она практически зависит только от состава стали по углероду. При нагреве мартенсита в перлитную область происходит распад перенасыщенного твердого раствора углерода в α – железе с образованием двухфазных структур перлитного класса, но другой морфологии. В этом случае троостит, сорбит и перлит имеют дисперсное мелкозернистое строение. Следует отметить, что образование зернистых структур улучшает многие свойства сталей. При одинаковой твердости, прочности и пластичности стали с зернистой перлитной структурой имеют более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной вязкости. 5.2. Виды термической обработки Любая термическая обработка состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки и охлаждения с заданной скоростью, поэтому термическую обработку обычно выражают графически в координатах температура—время. В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие основные вид термический обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Нужно знать цель и сущность каждого вида термической обработки, его технологию, а главное — какую структуру и свойства приобретает сталь в результате проведения каждого вида термической обработки. Нужно иметь в виду, что иногда брак. полученный при терм и ческой обработке, может проявиться только при эксплуатации деталей. Изучая процесс отжига, разберите, в каких случаях какой метод отжига наиболее целесообразно применять, каким сталям дают полный отжиг, а каким — неполный. Легированные стали и крупные поковки требуют очень медленного охлаждения, поэтому применение для них изотермического отжига значительно увеличивает производительность. Цель отжига — получение максимальной вязкости и пластичности, а так как у разных сталей время устойчивости аустенита разное (С-образные кривые), то и скорость охлаждения при отжиге для разных сталей разная. Она зависит от устойчивости аустенита в области перлитного превращения. Изучая процесс нормализации, прежде всего уясните разницу между отжигом и нормализацией в их назначении и способах проведения процесса. При отжиге скорость охлаждения разная для разных сталей, так как в структуре должен быть перлит. При нормализации же скорость охлаждения для всех сталей одна и та же – на воздухе. Поэтому после нормализации у разных сталей получается разная структура, она зависит от критической скорости закалки. В углеродистой стали после нормализации структура практически получается такая же, как и после отжига, но более мелкая, поэтому прочность нормализованных сталей несколько выше, чем отожженных. В ряде случаев для углеродистой стали вместо отжига производять нормализацию. В легированных сталях в зависимости от критической скорости закалки в структуре после нормализации может быть сорбит, троостит или мартенсит. Закалка – один из наиболее важных видов термической обработки. При изучении закалки прежде всего уясните, как выбирается температура нагрева в зависимости от содержания углерода в стали. Для доэвтектоидной стали всегда дают полную закалку, так как при неполной остается феррит, который образует мягкие участки. Для заэвтектоидной стали можно дать неполную закалку, так как остающийся цементит твердости не снижает. Нужно знать охлаждающие среды и требования к ним. Следует иметь в виду, что при чрезмерном увеличении скорости охлаждения получаются большие внутренние напряжения, коробление и могут быть трещины. Изучите, что понимают под прокаливаемостью стали и как на нее влияет критическая скорость закалки. Разберите основные методы закалки, применяемые на практике, в каких случаях какой метод целесообразно применять. Изучая ступенчатую и изотермическую закалку, обратите внимание на то, что температура горячей среды, в которой происходит выдержка, может быть одинаковой (вблизи мартенситной точки), но при ступенчатой закалке время выдержки должно быть меньше времени устойчивости аустенита при данной температуре, поэтому окончательная структура – мартенсит. При изотермической закалке время выдержки должно обеспечить полный распад аустенита на игольчатый троостит. Игольчатый троостит обладает значительно меньшей твердостью, чем мартенсит, поэтому изотермическую закалку нельзя применять для режущего инструмента, но она обеспечивает большую прочность при минимальных внутренних напряжениях, так как отсутствует мартенситное превращение. Ее наиболее целесообразно применять для тех деталей, которые работают с временными перегрузками и при работе которых отсутствует пластическая деформация, например для пружин. В сталях, у которых мартенситная точка лежит ниже 0˚С, после закалки может появится большое количество остаточного аустенита. Такие стали, например, легированные инструментальные или постоянные магниты, для уменьшения количества остаточного аустенита после закалки обрабатывают холодом, т.е. охлаждают ниже 0˚С. В результате закалки в деталях всегда возникают внутренние напряжения в связи с резким охлаждением и фазовыми превращениями. Для уменьшения напряжений, увеличения вязкости, иногда снижения твердости после закалки всегда следует отпуск — окончательная термическая обработка, которая определяет конечную структуру, а значит свойства и качество деталей. Необходимо знать структуру после каждого вида отпуска, температуру различных видов отпуска и для каких деталей обычно применяется низкий, средний и высокий отпуск. Наилучшим сочетанием между прочностью и вязкостью обладает сорбит отпуска, поэтому термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением стали. Детали, которые должны иметь твердость только на поверхности, подвергают поверхностной закалке, в результате чего увеличивается общая прочность деталей, так как увеличивается предел выносливости. Разберите основные методы поверхностной закалки. Уделите внимание закалке токами высокой частоты (ТВЧ), так как ее наиболее легко автоматизировать и получить наилучшие результаты. При изучении поверхностной закалки газовым пламенем надо иметь в виду, что для крупных деталей это в ряде случаев единственный метод поверхностного упрочнения Нужно знать новые прогрессивные методы упрочнения деталей: термомеханическую. Ультразвуковую, термомагнитную обработку.Учтите, что высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО) можно подвергать любые стали. А низкотемпературной (НТМО) - только те, у которых переохлажденный аустенит обладает повышенной устойчивостью, т.е. легированные. 5.3. Основы химико-термической обработки При изучении процессов химико-термической обработки нужно обращать внимание на температуру процесса, химический состав стали (особенно на процентное содержание углерода) и на необходимость термической обработки до или после того или иного вида химико-термической обработки. Каждый вид химико-термической обработки имеет свою область применения, определенные достоинства и недостатки. Рассматривать их нужно именно с этой точки зрения. При изучении цементации особое внимание уделите газовой цементации, как наиболее прогрессивному методу, который позволяет наиболее полно осуществить механизацию и автоматизацию процесса. Запомните, что твердость поверхностного слоя после цементации получается только при последующей закалке, сердцевина при этом остается вязкой, так как стали с малым содержанием углерода практически не закаливаются. Достоинства азотирования в том, что твердость не снижается при повторных нагревах до 500—600°С и увеличивается сопротивление коррозии в не электролитах. Но азотирование — процесс очень дорогой и непроизводительный, поэтому применять его следует только в тех случаях, когда никакая другая обработка не обеспечивает нужных свойств. Например, для деталей, которые подвергаются истиранию и работают в условиях коррозии, или для деталей, которые истираются и во время работы могут периодически нагреваться до 500—б00°С (нельзя путать детали, которые периодически нагреваются во время работы, например штампы для горячей штамповки во время соприкосновения с заготовкой, с деталями, которые постоянно нагреты во время работы, например лопатки газовых турбин). При изучении цианирования обратите внимание на свойства цианированного слоя в зависимости от температуры, при которой происходит цианирование, и на область применения низко-, средне- и высокотемпературного цианирования. Высокотемпературное цианирование обычно производится в газовой среде. Этот процесс называется нитроцементацией. Нужно иметь представление о диффузионной металлизации хромом, алюминием и другими элементами, понимать принципиальное отличие диффузионного насыщения поверхности металлами от гальванических покрытий, а главное — назначение каждого метода. При изучении каждого вида химико-термической обработки обращайте внимание на возможные виды брака, способы его предотвращения и устранения. Следует отметить, что технология химико-термической обработки на прямую связана с применяемым оборудованием, так как от оборудования в большей степени зависит последующее качество деталей. В этом смысле следует широко использовать механизированное и автоматизированное оборудование, автоматизированные агрегаты, состоящие из печей непрерывного действия, соляных ванн, закалочного и другого оборудования, в которых непрерывно производятся все виды термической обработки данных деталей. При этом повышается и качество деталей. Особо следует обратить внимание на современные методы поверхностного упрочнения с использованием высоких технологий. 6. современные металлические материалы в машиностроении Изучая конструкционные и инструментальные стали, уясните цель легирования, преимущества легированных сталей перед углеродистыми. Основная цель легирования конструкционных сталей — увеличение их прокаливаемости. Сталь должна обеспечить прокаливаемость в рабочем сечении детали, т.е. в том сечении, на которое действуют нагрузки. Обычно чем больше действующие нагрузки и чем больше сечение детали, тем более легирована сталь. Как правило, стали, содержащие до 0,25% углерода, подвергают цементации или нитроцементации с последующей закалкой и низким отпуском. Их так и называют - цементируемые. Их используют для деталей, которые работают с ударными нагрузками и подвергаются истиранию. Детали из сталей, содержащие 0,35-0,5% углерода, подвергающиеся действию больших нагрузок, подвергают улучшению, т.е. закалке и высокому отпуску. Называются они улучшаемые. Если такие детали подвергаются также истиранию, то им дается поверхностное упрочнение (чаще всего закалка токами высокой частоты или азотирование). Отметьте для себя, что азотированию подвергают специальный класс азотируемых сталей. Стали содержащие 0,55—0,65% углерода, идут обычно на изготовление пружин и рессор. Их подвергают закалке и среднему отпуску или изотермической закалке. В зависимости от легирования рессорно-пружинные сталей могут быть общего и специального назначения. Особую группу по составу и маркировке занимают шарикоподшипниковые стали, для которых важным считается сопротивление малым пластическим деформациям. Основное достоинство легированных инструментальных сталей — возможность их закалки в масле или расплавленных солях, так как при этом возникают меньшие напряжения и коробления, меньшая хрупкость. Выбор инструментальных сталей делается с учетом термической обработки и в соответствии с областью их применения. Инструмент из низколегированных сталей не может работать при большой скорости резания, так как при нагреве свыше 200—250°С резко падает твердость. Сохраняют твердость при нагреве до 500—600°С только быстрорежущие стали. Нужно знать, что быстрорежущие стали маркируют по основному легирующему элементу — вольфраму. Например, в марке Р18 цифра показывает его процентное содержание. Обратите внимание на особенности ее термической обработки. Если правильно провести термическую обработку, то во время работы твердость инструмента длительно сохраняется вплоть до температуры 600˚С - красностойкость. Запомните, что после высокого отпуска твердость быстрорежущей стали повышается, так как в результате отпуска остаточный аустенит переходит в мартенсит. Для штамповых инструментов используют среднеуглеродистые легированные и высоколегированные стали с большой глубиной прокаливаемости. Причем чем выше температура эксплуатации, тем выше степень легированности штамповых сталей. Особое место в классификации инструментальных материалов занимают твердые сплавы. Изучите основные виды литых твердых сплавов, их маркировку, свойства и область применения. Нужно знать преимущества применения твердых сплавов при обработке деталей и заготовок по сравнению с инструментальными сталями. Изучая нержавеющие стали, нужно обращать внимание на содержание углерода и связывать их свойства со структурой. Однофазные сплавы значительно лучше сопротивляются коррозии, чем многофазные, поэтому, чем меньше в стали углерода, тем выше ее коррозионная стойкость. Внимательно разберите термическую обработку сталей. Цель закалки ряда низкоуглеродистых нержавеющих сталей — увеличение коррозионной стойкости, а не прочности. Твердость у них при закалке не увеличивается, так как нет превращений в твердом состоянии, но при нагреве карбиды переходят в твердый раствор, а при резком охлаждении не успевают выделиться и поэтому получается однофазная структура. Прочность сталей типа 08Х18Н10Т достигается нагартовкой. т.е. в результате пластической деформации. Разбирая жаростойкие и жаропрочные стали, следует иметь в виду, что это всегда сложнолегированные стали, которые содержат много элементов и в большом количестве. Окалиностойкость в основном зависит от химического состава, жаропрочность - от многих факторов. Термическая обработка зависит от условий работы деталей. Изучите стали и сплавы с определенным коэффициентом линейного расширения и стали с особыми физико-химическими свойствами. Нужно обращать внимание на их химический состав, термическую обработку, если она производится, и область применения каждого сплава. Кратко ознакомьтесь со сплавами цветных металлов, их назначением и областью применения. Основное внимание уделите сплавам на основе меди и алюминия как наиболее широко используемым в машиностроительном производстве. 7. ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ Выбор стали для изготовления той или другой детали машин и метод ее упрочнения определяется уровнем требуемой конструкционной прочности, технологичностью механической, термической, химико-термичиской обработок, объемом производства, дефицитностью, стоимостью материла и себестоимостью упрочняющей обработки. В связи с этим, при изучении этой темы необходимо исходить их следующих общих требований: Эксплуатационные требования. Необходимо понять, что сталь должна удовлетворять условиям работы детали в машине, т.е. обеспечивать заданную конструкционную прочность, определенную расчетом в процессе конструирования. Однако необходимо учитывать, что этих данных, какими бы точными расчеты не были, чаще всего недостаточно для определения надежности работы детали в изделии. Уясните для себя, что только стендовые испытания позволяют с определенной достоверностью прогнозировать работоспособность детали на весь требуемый ресурс работы. В процессе таких испытаний можно установить комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей корреляции с эксплуатационными свойствами детали. Запомните, что при выборе материала для конкретных условий работы помимо стандартных механических свойств, определенных при статических испытаниях, необходимо учитывать ряд критериев, характеризующих экстремальное воздействие внешней среды. Другими словами, надежность и долговечность деталей машин невозможно обеспечить только повышением запасов статической прочности, т.е. снижением их номинальной напряженности и увеличением сечения. Найдите основные критерии работоспособности, обеспечивающие комплекс специальных свойств, определите их физический смысл и степень влияния в зависимости от внешних условий. Это позволит понять возникновение возможных отказов (внезапных, постепенных, конструктивных, эксплуатационных) и найти пути их устранения за счет выбора соответствующего материала по составу. Технологические требования. Необходимо понять, что сталь должна удовлетворять требованиям минимальной трудоемкости изготовления детали. Изучите, что понимается под технологичностью материала. Рассмотрите, как выбирается состав стали в зависимости от последующего формообразования. Экономические требования. Здесь необходимо сопоставить практическую значимость с экономический целесообразностью выбора стали для изготовления конкретной детали. При этом необходимо учитывать, что материал должен быть возможно дешевле, с учетом всех затрат, включающих не только стоимость стали, но и изготовление деталей с учетом последующей долговечности в изделии. Стоимость материалов резко различна в зависимости от металла основы и системы легирования. Уясните, что применение легированной стали оправдано только в том случае, если оно дает экономический эффект за счет повышения долговечности деталей и уменьшения расхода запаянных частей и ,таким образом, экономии металлопроката. При выборе стали или сплава для конкретной детали необходимо различать необходимость упрочнения. Определите, в каких случаях можно пойти на использование более дешевых материалов, за счет применения одной из поверхностно упрочняющих технологий. Научитесь выбирать способ поверхностного упрочнения в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации. общая схема выполнения контрольных работ Ниже приводятся 30 вариантов контрольных работ. Номер варианта работы, выполняемой студентом, должен соответствовать порядковому номеру его фамилии в журнале группы. Работа оформляется на стандартном листе формата А4 и должна сопровождаться чертежами, схемами, таблицами, иллюстрирующими текст (по мере необходимости). При выполнении работы вам дается полная самостоятельность в выборе материала детали и дальнейшей его обработки на основе известных методов. Особое внимание следует уделить обоснованию выбора материала. Обязательно оставьте поля для замечаний преподавателя. Если вы пользуетесь какой-либо литературой, то следует указать номер источника в списке использованной литературы и страницу. При ссылке на таблицу укажите ее номер. Выполненная работа должна быть подписана автором. задания к контрольной работе Задание 1. Расшифруйте представленные в таблице 3 марки железо-углеродистых сплавов. Определите класс материалов. Приведите для каждого сплава численные значения его механических свойств, укажите область его применения. Для углеродистых сталей, используя диаграмму Fe-Fe3C, определите:
Таблица 3
ЗАДАНИЕ 2. Выберите и обоснуйте материал для изготовления изделия, указанного в таблице 4 Таблица 4
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА Основная литература.
Дополнительная литература
И н т е р н е т – р е с у р с ы
Режим доступа: http://www.rba. ru
Режим доступа: http//www.gibs.uralinfo.ru
Режим доступа: http//web.ido.ru
Режим доступа: http//www.techno.ru
Режим доступа: http://www.gpntb.ru
Режим доступа: http//imin.urc.ac.ru
Режим доступа : http//www.valley.ru/-nicr/listrum.htm
Режим доступа : http//www.rsl.ru
Режим доступа :http//www.tehlit.ru
Режим доступа: http//www.technormativ.ru
Режим доступа: http://book.uraic.ru 14 Материаловедение. Бесплатный образовательный ресурс Режим доступа: http://supermetalloved.narod.ru/books.htm 15. Учебные наглядные пособия и презентации по курсу «Материаловедение» (диск, плакаты, слайды). Режим доступа: http://www.labstend.ru/site/index/uch_tech/index_full.php?mode=full&id=190&id_cat=400 16. Студенческий ресурс. Режим доступа: http://sinol.sml.by/proekt_1/materialovedenie/all/material_all-knigi.php 17. Учебники по материаловедению. Режим доступа: http://structural-materials.info/inform.html |