Материаловедение. Мой вариант. Линией ликвидус

• Название: Линией ликвидус
• Анкор: Материаловедение
• Дата: 09.03.2023
• Размер: 420.91 Kb.
• Имя файла: Мой вариант.docx
• Тип: Документы; #977042
• страница: 1 из 5

10. Вычертите диаграмму состояния системы олово – цинк. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях. Укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния. Определите количественное соотношение фаз и их химический состав в середине температурного интервала первичной кристаллизации сплава с 10% Zn.



Линия АСВ является линией ликвидус (начало кристаллизации), линия DСЕ линией солидус (конец кристаллизяции). На линии АС начинают ( при охлаждении) выделяться кристаллы свинца, а на линии СВ — кристаллы олова.На линии DСЕ из жидкости концентрации 13% одновременно выделяются кристаллы свинца и олова.

Ниже эвтектической горизонтали DCE находятся две фазы – кристаллы свинца и олова. Левее эвтектической концентрации из жидкости выделяются вначале кристаллы свинца, а затем эвтектика. Поэтому структурное состояние доэвтектического сплава можно обозначить через свинец + эвтектика ( свинец + олово) и заэвтектического В + эвтектика (свинец + олово) .

41. Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,4% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) железо-углерод — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe₃C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до цементита.

Фазы диаграммы железо — углерод

В системе железо — углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит — твердый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК (объемно-центрированной кубической) решеткой.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 727 °C (точка P). Атомы углерода располагается в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине ребер куба, а также в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I)

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсутствии углерода) до 770 °C.

3. Аустенит (γ) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решеткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.

4. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Он твердый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

— цементит первичный (выделяется из жидкости),

— цементит вторичный (выделяется из аустенита),

— цементит третичный (из феррита),

— цементит эвтектический и

— эвтектоидный цементит.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.

5. Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решеткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 — 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.

Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун).

Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и некоторых марках стали — в графитизированных сталях.

Стали, содержащие углерод от 0,8 до 2,14 %, называют заэвтектоидными.

Т.е в нашем случае, сплав содержит углерода 1,4%, следовательно, является заэвтектоидной сталью.

Рассмотрим структурные превращения сплава С=1,4% при медленном охлаждении.

При температурах выше 1470^оС сплав полностью является жидким и при охлаждении температуре 1300^оС в сплаве появляются кристаллы аустенита.

При температуре до 900 ^оС в сплаве будет только аустенит.

При температурах, соответствующих линии ES, (в нашем случае при 900^оС) аустенит ока­зывается насыщенным уг­леродом.

По­этому при тем­пературе ниже линии ESсплавы становятся двухфаз­ными (аустенит + вто­ричный цементит).

При дальнейшем охлаждении аустенит превращается в перлит.

При температуре ниже 727^оС (т.е. и при комнатной температуре ) заэвтектоидные стали состоят из перлита и вторичного цементита.



Рис. 3 . Диаграмма состояния Fe— Fe₃C (б) и кривая охлаждения стали (в)

61. Расшифруйте марочный состав сталей и классифицируйте их по назначению: Ст2пс; 30; А20; 25ХГМ; ШХ15; У12; 9Х5ВФ; Р18Ф2. В каких из этих сталей малое содержание углерода? Какие относятся к низколегированным? Расшифруйте марки чугунов и укажите вид графита: СЧ25; ВЧ80; КЧ60-3

Ст2пс – Cт- сталь обыкновенного качества, 2- марка стали, пс - полуспокойная

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры - это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, вы­ше прочность и ниже пластичность.
В зависимости от назначения и гарантируе­мых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А, Б, В (см. табл.). Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять буква Г, что означает повышенное содержание марганца. В обозначе­ниях марок слева от букв Ст указаны группы Б и В стали.
По требованиям к нормируемым показателям (химического состава и механических свойств) стали обыкновенного качества подразделяют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления, например Ст5ГпсЗ означает: сталь группы А, марки Ст5, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории. В случае заказа стали без указания степени раскисления, но определенной категории, последняя пишется за номером марки через тире, например Ст4-3. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, напримерСт4пс.

А20 – А- автоматная сталь , цифра 20, показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента.

25ХГМ – 25 - среднее содержание углерода в сотых долях процента – 0,25%, Х- легирующие элементы Х- хром, Г — марганец, М – молибден.

ШХ15 -

У12;

9Х5ВФ

Р18Ф2 -

Маркировка легированных конструкционных сталей. Легированные кон­струкционные стали маркируют цифрами и буквами, например 15Х, 40ХФА, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ и т. д. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, Е — селен, К — кобальт, Н — никель, М - молибден, П - фосфор, Р — бор, С — крем­ний, Т — титан, Ф - ванадий, X — хром, Ц — цирконий, Ч - редкозе­мельный, Ю — алюминий.

Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующе­го легирующею элемента в целых процентах; отсутствие цифры указы­вает, что оно составляет 1 —1,5% и менее. Основная масса легированных конструкционных сталей выплавляется качественными ( 0,035% Р и  0,035% S).

80. Назначьте режим закалки и отпуска шатуна, изготовленного из стали 45. Приведите график термической обработки и структуру после закалки и после отпуска. Опишите, как изменятся свойства стали после отпуска.

Шатун двигателя внутреннего сгорания предназначен для превращения возвратно-поступательного движения поршня через поршневой палец, соединённый с верхней головкой шатуна, во вращательное движение коленчатого вала двигателя, также соединённого с ним посредством нижней головки через осевой шарнир. Отсюда может быть проведён силовой анализ условий работы шатуна. Шатун ДВС как балка работает на чистое сжатие. Максимальное усилие сжатия шатуна (Рш) определяется произведением максимальной силы давления (pmax) сгоревших газов на днище поршня и площади днища поршня (Fn), т.е. Рш = pmax • Fn.

Характер силового воздействия на стержень шатуна во время работы ДВС меняется в соответствии с изменением назначения отдельной стадии рабочего цикла двигателя. В четырёхтактных ДВС рабочий цикл состоит из нескольких стадий, основными из которых являются всасывание, сжатие, сгорание, расширение (рабочий ход) и выпуск. При всасывании шатун работает, в основном, на растяжение, а при сжатии, рабочем ходе и выпуске – на сжатие и продольный изгиб. При этом в районе поршневой головки шатуна температура может достигать 100…150 0С, а давление на поршень при сгорании топливной смеси – 4,0 … 5,5 МПа в

карбюраторных двигателях и 9 …14 МПа – в дизельных [9].

Из приведённого анализа особенностей эксплуатации шатуна сле-

дует, что он работает в сложных условиях. Для достижения требуемой

его надёжности целесообразно предусмотреть:

– необходимую жёсткость, т.е. высокое сопротивление упругим де-

формациям от приложенных наибольших нагрузок для исключения

недопустимых искажений, нарушающих нормальную работу шатун-

ных подшипников;

– достаточную конструктивную прочность с учетом всех приложенных

постоянных и циклических нагрузок, включая периодические пере-

грузки, связанные с допустимой в эксплуатации сменой режимов ра-

боты двигателя;

– стабильность работы во времени или сопротивление остаточным

деформациям и изнашиванию опорных поверхностей от рабочих

воздействий в течение всего срока службы или заданных межре-

монтных периодов [10].

На основании расчётов конструктор определил, что сталь, из кото-

рой будет изготовлен данный шатун, должна иметь предел текучести

(σ0,2) не менее 800 МПа, а ударная вязкость (KCU) её при этом должна

быть не менее 0,7 МДж/м2 ( 7 кГм/см2).

3.2. Выбор марки стали__



У стали 45 после нормализации, т.е. в состоянии поставки, σв ≈

≈610 МПа, σ0,2 ≈ 360 МПа [11], что тоже ниже требуемого значения.

Таким образом, ни одна из этих сталей в состоянии поставки не

имеет σ0,2 ≥ 800 МПа, поэтому для получения требуемой величины

предела текучести шатун необходимо подвергнуть термической обработке.

Для получения требуемых свойств и, в частности, ударной вязкости

не менее 0,7 МДж/м2, требуется провести улучшение, т.е. закалку с высо-

ким отпуском. Для получения однородных свойств по всему сечению де-

тали улучшаемые стали должны обладать полной, т.е. сквозной прокали-

ваемостью. Сталь 45 имеет критический диаметр при закалке в воде

Д90 = 10мм, Д50 = 15мм (90% и 50% мартенсита в центре детали соответ-

ственно), а у стали 45ХН Д90 = 20мм, Д50 = 35мм даже при охлаждении в

масле
3.3. Характеристика стали 40ХН

Химический состав стали приведён в табл. 4. Критические точки:

Ас1= 7100С, Ас3= 7600С, Мн = 3400С [7]. Сталь легирована хромом и нике-

лем. Оба элемента растворяются в феррите и упрочняют его. При этом

хром несколько снижает вязкость феррита, а никель повышает её. Важ-

ное значение имеет влияние легирующих элементов на порог хладно-

ломкости. Наличие хрома в стали способствует некоторому повышению

порога хладноломкости, тогда как никель его интенсивно снижает (при

содержании в стали 1% никеля порог хладноломкости снижается

19

на 60 …80 0С), уменьшая тем самым, склонность стали к хрупкому раз-

рушению. Поэтому никель является наиболее ценным легирующим эле-

ментом.

Основная цель легирования конструкционной стали – повышение её

прокаливаемости. Оба названные элементы снижают критическую ско-

рость закалки и увеличивают прокаливаемость стали.

Таким образом, хромоникелевые стали обладают достаточно высо-

кой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Поэтому их

применяют для изготовления крупных деталей сложной конфигурации,

работающих при динамических нагрузках.

На рис. 4 приведена диаграмма распада переохлаждённого аусте-

нита стали 40ХН в изотермических условиях, а влияние температуры от-

пуска на механические свойства этой стали представлено на рис.5 [7].



Рис. 4 Диаграмма изотермического превращения

переохлаждённого аустенита стали 40ХН

(температура аустенитизации 8200С).



Рис. 5 Механические свойства стали 40ХН

в зависимости от температуры отпуска

(закалка от 8200С в масле).

3.4. Выбор и обоснование режимов термической обработки

Сталь 40ХН является доэвтектоидной конструкционной легирован-

ной сталью. Температура нагрева при закалке выбирается в этом случае

на 50 …700С выше критической точки Ас3, т.е.

tн = Ас3 + (50 …70) 0С = 760 0С + 60 0С = 820 0С.

Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необ-

ходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость

закалки (Vохл. ≥ Vкр.). Значение Vкр. определим, воспользовавшись диа-

граммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита,

(рис. 4):



В качестве закалочной среды следует применить минеральное ма-

шинное масло, в котором скорость охлаждения в интервале тем-

ператур наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита (650 …

550 0С) составляет примерно 150 0/с, что больше Vкр. данной стали. В

нижнем, мартенситном интервале температур масло охлаждает с не-

большой скоростью (20… 30 0/с) [2], что уменьшает вероятность образо-

вания закалочных дефектов. После закалки структура стали по всему се-

чению шатуна состоит из мартенсита и 3 …5 % остаточного аустенита.

Для получения требуемых механических свойств и уменьшения

внутренних напряжений, возникших при закалке, сталь подвергают отпус-

ку. С повышением температуры отпуска прочностные свойства конструк-

ционной стали уменьшаются, а её пластичность и вязкость возрастают.

Для получения σ0,2≥800 МПа и KCU≥0,7 МДж/м2 температура отпуска

стали 40ХН должна быть 600 0С (рис.5). В связи с тем, что хромоникеле-

вые стали склонны к обратимой отпускной хрупкости, охлаждение шату-

нов из стали 40ХН до комнатной температуры при отпуске следует про-

водить ускоренно, например в масле.

Таким образом, окончательной термической обработкой шатуна

ДВС из стали 40ХН является улучшение, т.е. сталь закаливают от темпе-

ратуры 820 0С в минеральном машинном масле и проводят высокий от-

пуск при температуре 600 0С с охлаждением также в масле. После такой

термической обработки структура стали по всему сечению шатуна

представляет собой сорбит отпуска, а механические свойства будут не

менее [7]:

• предел прочности – 1100 МПа,

• предел текучести – 800 МПа,

• относительное удлинение – 20%,

• относительное сужение – 70%,

• ударная вязкость – 1,5 МДж/м2,

• порог хладноломкости:

tверх = – 40 0С,

tнижн = – 130 0С.

Указанный комплекс механических свойств обеспечит заданную ра-

ботоспособность шатуна двигателя внутреннего сгорания.