Бураков (5). Контрольная работа по дисциплине Материаловедение Вариант 11
 Скачать 1.32 Mb.
|
1600° С) - температуре плавления (затвердевания) цементита. Линия ACD — это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии ACD — сплав жидкий. Линия AECF — это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления). |
| № вар. | Кривая | Интервал температур, °С | Количество углерода, % | Температура, °С |
| 11 | Охлаждения | 1600-20 | 2,6 | 1200 |
По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD — цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при температуре 1147° С и содержании 4,3% углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса ЕС (1147 0С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит+ледебурит.
На линии солидуса CF (1147° С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67% окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру — первичный цементит +ледебурит.
В области АСЕ А, между линией ликвидуса АС и солидуса АЕС, имеется жидкий сплав + кристаллы аустенита; в области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, — жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного). В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14% образуется однофазная структура — аустенит.
Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, сталь — это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14%.
Сплавы с содержанием углерода более 2,14%, в которых при кристаллизации образуется эвтектика, ледебурит, называют чугунами. Следовательно, чугун — это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14%.
В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.
В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSE, PS/C, PQ.
Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP имеется структура аустенит -f- феррит. Критические точки, лежащие на линии GS обозначают Л3; при нагреве их обозначают Ас3, а при охлаждении - Аг3. Линия SE показывает, что с понижением температуры раство¬римость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147° С в аустените может раствориться углерода 2,14%, а при 727° С - 0,8%. G понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727° С) сталь имеет структуру: аустенит ++ цементит (вторичный). В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% при 1147° С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяется вторичный цементит. Следовательно, ниже линии ЕС (до температуры 727° С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.
Линия РSК (727° С) — это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются Α1 при нагреве их обозначают Ас1, а при охлаждении — Аr1.
Ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали, содержащие углерода менее 0,8%, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями (рис. 7.2, а). Сталь с содержанием углерода 0,8% имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью (рис. 7.2, б).
Рисунок 7.2 – Микроструктура стали: а – доэвтектоидная сталь; б – эвтектоидная сталь; в – заэвтектоидная сталь
Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% имеют структуру перлит + цементит (вторичный) и называются заэвтектоидными сталями (рис. 7.2, в).
Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% имеют структуру перлит - f вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами (рис. 7.3, а). Белый чугун с содержанием углерода 4,3% имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном (рис. 7.3, б). Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют структуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами (рис. 7.3, в).
Линия PQ (рис. 7.1) показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727° С до 0,006% при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727° С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит структурно не выявляется. Однако в низкоуглеродистых
сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита, уменьшая пластические свойства стали, особенно ее способность к холодной штамповке.
Рисунок 7.3 – Микроструктура белого чугуна: а – доэвтектическийчугун; б - эвтектический чугун; в - заэвтектический чугун
Используя диаграмму состояния можно построить схематическую кривую охлаждения сплава любой концентрации, которая отобразит характер кривой охлаждения, полученной экспериментально.
Кривая охлаждения сплава доэвтектического белого чугуна типична для всех сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3 % С, т.е. расположенных от точки Е до точки С. Кристаллизация зерен аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2 (рис. 7.1 и 7.4). С понижением температуры состав аустенита изменяется по линии солидуса JE, а состав жидкой фазы – от точки 1 до точки С. Содержание углерода в оставшемся жидком растворе увеличивается с понижением температуры и при 1147°С становится равным эвтектическому, т.е. 4,3%. Жидкий раствор ЖР4,3% С претерпевает эвтектическое превращение . При температуре между линиями ECF и PSK сплав имеет структуру А + Л(А + ЦI) + ЦII. Вторичные превращения в доэвтектическом белом чугуне на I этапе связаны с уменьшением растворимости углерода в аустените по мере снижения температуры по линии ES, из аустенита выделяется цементит вторичный (ЦII). При 727°С аустенит достигает эвтектоидной концентрации с содержанием углерода 0,8% и далее на II этапе происходит эвтектоидное превращение. Структура доэвтектического белого чугуна будет П + Л(П + ЦI) + ЦII. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита.
Рисунок 7.4 – Кривая охлаждения доэвтектического чугуна
Сплав с содержанием С = 2,6 % является доэвтектическим чугуном (рис. 7.5).
Рисунок 7.5 - Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом
Кривая охлаждения сплава доэвтектического белого чугуна типична для всех сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3 % С, т.е. расположенных от точки Е до точки С. Кристаллизация зерен аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2 (рис. 7.1 и 7.4). С понижением температуры состав аустенита изменяется по линии солидуса JE, а состав жидкой фазы – от точки 1 до точки С. Содержание углерода в оставшемся жидком растворе увеличивается с понижением температуры и при 1147°С становится равным эвтектическому, т.е. 4,3%. Жидкий раствор ЖР4,3% С претерпевает эвтектическое превращение . При температуре между линиями ECF и PSK сплав имеет структуру А + Л(А + ЦI) + ЦII. Вторичные превращения в доэвтектическом белом чугуне на I этапе связаны с уменьшением растворимости углерода в аустените по мере снижения температуры по линии ES, из аустенита выделяется цементит вторичный (ЦII). При 727°С аустенит достигает эвтектоидной концентрации с содержанием углерода 0,8% и далее на II этапе происходит эвтектоидное превращение. Структура доэвтектического белого чугуна будет П + Л(П + ЦI) + ЦII. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита.
Структура сплава, содержащего 2,6 % С при температуре 12000С, - жидкость + аустенит.
Аустенит – структурная составляющая углеродистых и легированных сталей и чугунов, возникающая при термической обработке сплавов в соответствии с диаграммой состояния железо-углерод. В углеродистых сталях в равновесном состоянии аустенит существует только при высоких температурах, начиная с 723 °С. Область существования аустенита на диаграмме состояния железо – углерод имеет сложную форму. Для чистого железа область существования аустенита соответствует интервалу температур от 910 °С (температура аллотропического превращения α-железа в ɣ-железо) до 1400 °С (температура аллотропического превращения ɣ-железа в δ-железо). По мере увеличения содержания углерода температура превращения (начала образования аустенита) снижается и достигает минимума (723 °С) при концентрации углерода 0,8%. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 1,7% и соответствует температуре 1130 °С. Металлографическое исследование при высоких температурах показывает, что аустенит имеет форму полиэдрических зерен, размеры которых увеличиваются в процессе выдержки при высоких температурах.
При понижении температуры аустенит распадается на феррит и цементит (Fe3C) и возникает пластинчатая структура перлита, которая на металлографическом шлифе (сечении) имеет вид полосчатой структуры из полосок феррита и цементита.
Феррит (лат. ferrum — железо), фазовая составляющая сплавов железа, представляющая собой твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в α-железе (α-феррит). Имеет объёмноцентрированную кубическую кристаллическую решётку. Является фазовой составляющей других структур, например, перлита, состоящего из феррита и цементита.
При температурах выше 1401 °С в железоуглеродистых сплавах образуется твёрдый раствор углерода в δ-железе (δ-феррит), который можно рассматривать как высокотемпературный феррит.
Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся в точке С (1130 °С) диаграммы состояния железо — углерод. При охлаждении ниже точки А (723 °С для чистых железоуглеродистых сплавов) аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит; следовательно, при нормальной температуре ледебурит состоит из перлита и цементита.
В чистых железоуглеродистых сплавах ледебурит образуется при содержании углерода более 2%, т. е. только в чугунах. В высоколегированной стали с содержанием углерода 0,7—1% и при наличии карбидообразующих легирующих элементов (Сг, W, Мо, V) составной частью структуры в литом состоянии является ледебурит; вместо цементита в эту структуру входят карбиды легирующих элементов. Такая сталь (например, быстрорежущая хромовольфрамованадиевая Р18 и Р9) относится к ледебуритному классу.
Цементит — карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C. Концентрация углерода 6,67% по массе — предельная для железоуглеродистых сплавов. Цементит — метастабильная фаза; образование стабильной фазы — графита во многих случаях затруднено. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, очень тверд и хрупок, слабо магнитен до 210 °C.
В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму — равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.
Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита. Цементит — представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с легкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи.
Мартенсит — продукт закалки аустенита и его превращения в феррит без выделения углерода из раствора. Поэтому мартенсит — это сильно пересыщенное углеродом α-железо с кпженной кристаллической решеткой. Эго обусловливает высокую его твердость (НВ 600—700) и прочность, повышенную и ость и наличие внутренних напряжений. Эта структура образуется при больших скоростях охлаждения. Мартенсит по своей природе неустойчив и при нагреве до температуры свыше 70 °С стремится перейти в другие структуры.
Трооститом называется механическая смесь феррита цементита очень высокой степени дисперсности. Твердость троостита НВ 350÷500. Эта структура образуется при скорости закалки углеродистой стали около 80°/сек. Игольчатый троостит иногда называют бейнитом.
Сорбит — это более грубая механическая смесь зерен феррита и цементита, однако достаточно дисперсная. Она с трудом различается под обычным микроскопом. Твердость сорбита 250÷350. Эта структура образуется при скоростях закалки углеродистой стали менее 50°/сек. По сравнению с трооститом copбит имеет более высокую вязкость, а по сравнению с перлитом — большую твердость.
Перлит представляет собой более или менее грубую механическуюкую смесь феррита и цементита. Перлит образуется при малых скоростях охлаждения стали, нагретой до аустенитногосостояния.
Троостит, сорбит и перлит можно получить путем отпуска мартенсита при возрастающих температурах отпуска. В этом случае они имеют отличные, часто более высокие механические свойства, чем при охлаждении аустенита с разными скоростями.
В области двухфазного состояния сплава найдем точку a. Она соответствует сплаву состава 2,6 %С при температуре 1200 0С (рис. 7.6).
Рисунок 7.6 - Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом
Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом. Чтобы определить состав и концентрацию компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную двухфазную область состояния системы; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.
Следовательно, для сплава с содержанием 2,6 %С при температуре 1200 0С составы обеих фаз определятся проекциями точек b и с на ось абсцисс: содержание аустенита в жидкой фазе 27,5% (остальное жидкость).
Количественное соотношение каждой фазы в точке а определяется в соответствии со вторым положением правила отрезков. Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз (в данном случае отрезки аb и ас), обратно пропорциональны количествам этих фаз.
Для нашего случая
QА / QЖ = аb / ас или QА / (QА + QЖ) = аb / bc
и
QЖ / (QА + QЖ) = ас / bc,
где QА, QЖ - количество твердой и жидкой фазы, соответственно.
После подстановки численных значений (полученных с помощью измерений линейкой длины указанных выше отрезков) получим
QА / (QА + QЖ) = 1,7 / 4,0 = 0,425ˑ100% = 42,5%;
QЖ / (QА + QЖ) = 2,3 / 4,0 = 0,575ˑ100% = 57,5%
Задание №8.
Углеродистая сталь У8 после одного вида термической обработки получила структуру пластинчатого перлита, а после другого – структуру зернистого перлита. Укажите, какой вид термообработки был применен в первом случае и какие превращения в стали обеспечили получение структуры пластинчатого перлита; какая термообработка была применена со втором случае и какие превращения в стали обеспечили получение структуры зернистого перлита.
Углеродистая инструментальная сталь У8, вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеет небольшую прокаливаемость, и поэтому сталь применяются для изготовления инструментов небольших размеров.
К углеродистой стали У8 широко применяют отжиг с нагревом до 740-750°С и последующим медленным охлаждением. После такого нагрева в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении. В результате образуется структура зернистого перлита (сферодита), a отжиг называют сфероидизирующим.
Конечная структура стали У8 зависит от скорости охлаждения и температуры сфероидизирующего отжига. Чем меньше скорость охлаждения, тем до больших размеров вырастают глобули карбида при распаде аустенита. Регулируя скорость охлаждения, можно получать структуры глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого. Более мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью.
С повышением температуры отжига до 770-790 °С твердость снижается из-за развития сфероидизации, а при дальнейшем увеличении температуры отжига твердость растет из-за появления все в большем количестве пластинчатого перлита.
Сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, легче обрабатывается резанием. Кроме того, зернистый перлит является оптимальной исходной структурой перед закалкой. При исходной структуре зернистого перлита меньше склонность к росту аустенитного зерна, шире допустимый интервал закалочных температур, меньше склонность к растрескиванию при закалке, выше прочность и вязкость закаленной стали (мелкие глобули равномерно распределены в мартенсите закаленной стали).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки. – М.: Металлургия, 1986.
Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989.
Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986.
Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. – М.: Высш. шк., 1990.
Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин А.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1981
Лахтин Ю.М. Основы материаловедения. – М.: Металлургия, 1988.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990.
Материаловедение/ Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. Под ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986.
Материаловедение и конструкционные материалы. / Л.М. Пинчук и др. Минск: Высш. шк., 1989.
Материаловедение и технология металлов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2002.
Металловедение / А.И. Самохоцкий, М.Н. Кунявский, Т.М. Кунявская и др. – М.: Металлургия, 1990.
Металловедение и термическая обработка стали. Справочник. Т.1, Т.2, Т.3 – М.: Металлургия, 1983.
Мозберг Р.К. Материаловедение. – М.: Высш. шк., 1991.
Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1986.
Технология металлов и материаловедение / Б.В. Кнорозов, Л.Ф. Усова, А.В. Третьяков и др. – М.: Металлургия, 1987.
16.Технология металлов и конструкционные материалы, / Б.А. Кузьмин, Ю.Е. Абраменко, М.А. Кудрявцев и др. – М.: Машиностроение, 1989.