Анализ диаграммы состояния сплавов железо-углерод

1.Цель работы: ознакомиться и изучить линии, точки и области диаграммы, ее фа­зы и структуры, освоить фазовые превращения при нагревании и охлаждении, нау­читься применять правило фаз и отрезков.

2.Теоретаческие сведения

Диаграмма железо-углерод является основой для изучения и понимания про­цессов, происходящих при нагревании и охлаждении железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов). Используя диаграмму Fe-С можно: определить температуру тер­мической обработки, способность сплава воспринимать термическую обработку, рассчитать температуру начала и конца горячей обработки давлением, уточнить ли­тейные или механические свойства сплава, узнать структуру сплава при заданной температуре.

На диаграмме (рис. 4,1.) по горизонтальной оси отложено процентное содер­жание углерода, по вертикальной - температура сплава.

Выполняющему работу, необходимо заполнить таблицу 4.1., в которой дать характеристику и структуру железоуглеродистых сплавов, указать возможное со­держание в структурах углерода, дать определение структур.

При анализе диаграммы рассматриваются линии и точки диаграммы (табл,4.2,, 4.3.), применяются правило фаз и правило отрезков.

Для анализа диаграммы железо - цементит применяют правило Гиббса, кото­рое выражается формулой

С = К-Ф + 1(4.1)

где: С - число степеней свободы, т. е. число внешних факторов (температура и концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в сплаве; К - число компонентов (в сталях К равно 2 - углерод и железо); Ф - число фаз.

Фазой называется химически однородная часть сплава отделенная от других его частей поверхностью раздела. Фазами могут быть химические элементы, хими­ческие соединения, жидкости и твердые растворы.

В железоуглеродистых сплавах при нагревании и охлаждении получаются сле­дующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит.

Выполняющему работу, необходимо заполнить таблицу 4.1., в которой дать характеристику и структуру железоуглеродистых сплавов, указать возможное со­держание в структурах углерода, дать определение структур.

В железоуглеродистых сплавах при нагревании и охлаждении получаются сле­дующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит.

Рис. 4.1. Диаграмма железо-цементит

Выполняющему работу, необходимо заполнить таблицу 4.1., в которой дать характеристику и структуру железоуглеродистых сплавов, указать возможное со­держание в структурах углерода, дать определение структур.

Таблица 4.1 Характеристика структур железоуглеродистых сплавов

При анализе диаграммы рассматриваются линии и точки диаграммы

(табл.4.2., 4.3.), применяются правило фаз и правило отрезков.

Для анализа диаграммы железо - цементит применяют правило Гиббса, кото­рое выражается формулой

С = К -Ф + 1 (4.1)

где: С - число степеней свободы, т. е. число внешних факторов (температура и концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в сплаве; К - число компонентов (в сталях К равно 2 - углерод и железо); Ф- число фаз.

Фазой называется химически однородная часть сплава отделенная от других его частей поверхностью раздела. Фазами могут быть химические элементы, хими­ческие соединения, жидкости и твердые растворы. При высоких температурах цементит частично разлагается на аустенит и графит

Таблица 4.2 Фазовые превращения на линиях по диаграмме

Выше линии ACD все сплавы в жидком состоянии, следовательно, число сте­пеней свободы С = К - Ф+1 = 2 - 1 + 1 = 2. Это значит, что система располагает двумя степенями свободы, которые можно менять без нарушения равновесия системы, т. е. без изменения числа и состояния фаз в определенном интервале температур. Выше линии ACD можно сплавы нагревать и охлаждать, менять их концентрацию, и они остаются жидкими. Между линиями АС и АБС и линиями CD и CF сплавы двух­фазны, состоят из твердой фазы и жидкости, и при этом число степеней свободы равно С = 2—2 +1 = 1. Отсюда следует, что система в данных областях располагает только одной степенью свободы и для сохранения числа фаз можно менять лишь один фактор равновесия, либо температуру, либо концентрацию. Две фазы и одна степень свободы имеется так же во всех других областях диаграммы, кроме аустенитной, где между линиями АЕ и GSE система однофазна и располагает двумя сте­пенями свободы С=2-1+1=2. На горизонтальных линиях ECF и PSK система трехфазна и число степеней свободы С = 2-3+1 = 0.

На линии ECF при охлаждении образуется ледебурит, а на линии PSK - пер­лит. Нулевая степень свободы на этих линиях обуславливает строго постоянные температуры при образовании ледебурита (1147 °С) и перлита (727 °С). Две фазы и одну степень свободы имеют все кривые линии и точки A, D, G, Q; три фазы и нуле­вую степень свободы точки Р, S, Е, С; в точках К и F фазовых превращений нет.

Обучающий заполняет диаграмму названиями тех или иных структур, образующих после каждой линии или в заданной точке.

Диаграмма состояния усваивается лучше, если ее изучение сопровождается построением кривых охлаждения различных по концентрации сплавов. На постро­енной кривой отмечают положение критических точек и температур, на каждом участке кривой указывают названия фаз или структурных составляющих. Кривую охлаждения строят схематично, справа от диаграммы состояния, в координатах тем­пература—время, с учетом отмеченных выше замечаний.

На рис. 4.2. показана кривая охлаждения сплава С = 4,2% с указанием назва­ния фаз на каждом ее участке.

Если состояние сплава при заданной температуре характеризуется наличием двух фаз или двух"структурных составляющих, диаграмма состояния позволяет оп­ределить количество каждой из них и указать концентрацию фаз. При этом пользу­ются так называемым правилом отрезков.

Порядок выполнения работы

3.1. Изучить структурные составляющие диаграммы железо-углерод и запол­нить таблицу 4.1.

3.2. Изучить превращение железоуглеродистых сплавов по диаграмме.

3.3. Для сплава, задаваемого преподавателем, построить кривую охлаждения от жидкого состояния до температуры 400 °С с использованием правила фаз (Гиббса). На кривой охлаждения указать структуры, образующиеся на каждом участке.

3.4. По правилу отрезков установить концентрацию фаз для заданного сплава и их количественное соотношение.

4. Отчет должен содержать:

4.1. Теоретические сведения о диаграммах » различных правилах применяе­мых для ее анализа;

4.2. Заполненную таблицу 4.1 и диаграмму железо-углерод (рис. 4.1);

4.3. Кривую охлаждения по заданному сплаву и расчеты по определению кон­центрации и весового состава фаз. Сплав и его массу задает преподаватель.

Контрольные вопросы.

5.1. В чем практическая ценность диаграммы железо-углерод?

5.2. Приведите примеры твердых сплавов, механических смесей?

5.3. Как записывается правило Гиббса

5.4. Укажите эвтектику для чугунов.

5.5. Что такое ледебурит?

5.6. Что можно определить при помощи правила рычага?

5.7. Как строятся кривые охлаждения заданного сплава?

Таблица 4.2

Варианты решения задач

Лабораторная работа № 5

Изучение микроструктур углеродистых сталей в равновесном состоянии

1. Цель работы: получить навыки в проведении микроанализа структур углероди­стых сталей и определения по ним типа сплава, содержания углерода, марки стали и практического применения установленного сплава,

2. Теоретические сведения

Если углеродистую сталь охлаждать очень медленно, например, вместе с пе­чью, что будет соответствовать отжигу, то можно получить не напряженные, равно­весные структуры. Так структуры для доэвтектоидных сталей всегда можно опреде­лить по диаграмме железо - углерод. Ниже линии PSK фазовые превращения, как правило, заканчиваются и в результате получается структура перлит и феррит.

Рис.5.1. Микроструктура стали в зависимости от содержания углерода: а - 0.01% С; б - 0,1%С; в - 0,2%С; г - 0,3%С; д - 0,4%С; е - 0,5%С; ж - 0,8%С; з -1,2%С. (Травление 4% раствором HNO₃ в спирте, х 450).

Точка Е диаграммы железо - углерод принята/как условная граница между, сталями и чугунами. Таким образом, железоуглеродистые сплавы, которые содержат углерода от. 0,025 до 2,14 %% называют сталями.

Сплавы с содержанием углерода до 0,025 % называют технически чистым же­лезом, которое содержит, если рассматривать макрошлиф, большое количество зе­рен феррита с хорошо видными темными границами (рис. 5.1).

В равновесном состоянии стали подразделяются на три большие группы: до-эвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

В зоне от 0,025 ло 0,8 % содержания углерода на диаграмме расположены до-эвтектоидные стали. Структура представлена на рис. 5.1 (С равно 0,1 до 0,5 %) и со­стоит, из светлых зерен феррита и более темных зерен перлита. Чем больше в стали углерода, тем больше становится в ней перлита, а количество феррита уменьшается. Изменение соотношения феррита и перлита значительно влияет на механические, технологические ц другие свойства стали.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода и состоит только из перлита (механическая смесь феррита и цементита), который имеет пластинчатое строение (рис. 5.1, ж).

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % называют заэвтектоидными. В их структуре вместе с перлитом присутствует вторичный цементит. Цементит Fe₃C структура твердая и очень хрупкая. С увеличением содержания углерода доля цементита в стали увеличивается, оказывая тем самым влияние на свойства стали.

Вторичный цементит при медленном охлаждении выделяется по границам зе­рен перлита и предопределяет хрупкость и плохую обрабатываемость резанием (обозначен белыми линиями):

Таким образом, с увеличением содержания углерода в сталях, находящихся в равновесном состоянии, меняется структура и фазовый состав; уменьшается коли­чество мягкого феррита, увеличивается количество твердого цементита и в соответ­ствия с этим возрастает твердость НВ, предел прочности σ _в , уменьшается пластичость γ и ударная вязкостъ α _н (рис. 5.2). При содержании углерода свыше 1 % предел прочности снижается за счет большого количества цементита, образующего сетку по границам зерен перлита

Рис.5.2. Влияние содержания углерода на механические свойства стали:

σ_{в ;}- предел прочности; α _н - ударная вязкость; НВ - твердость по Бринеллю;

δ -относительное уд­линение.

По структуре стали, находящейся вравновесном состоянии, можно прибли­женно определить содержание углерода, а затем установить марку стали. С этой це­лью под микроскопом рассматривают шлиф стального образца и определяют пло­щади, занимаемые той или иной структурой (перлитом, ферритом или цементитом). Для выполнения расчета принимают содержание углерода в феррите равным нулю, в 100 % цементите - 6,67 %, Когда определены площади, занимаемые структурой, то составляется пропорция, по которой подсчитывается количеств? углерода.

Например, пусть в доэвтектоидной стали перлит занимает 25% всей площади, феррит тогда занимает - 75%. Составляем пропорцию:

100% перлита - 0,8% С

25% перлита - х% С

Следовательно: X= = 0.2% С

Такое содержание углерода имеет конструкционная сталь марки 20.

Не рекомендуется таким способом определять марку стали для заэвтектоид-иых сталей. В этих сталях с увеличение содержания углерода площадь, занимаемая под цементитом мало изменяется и можно допустить грубую ошибку.

3. Порядок выполнения работы «

3.1. Записать в отчет теоретические сведения поданной работе.

3.2. Получить у преподавателя шлиф, изучить и рассмотреть его на металло­графическом микроскопе типа ММУ.

3.3. Определить содержание углерода и марку стали.

3.4. Зарисовать схему микроструктур.

4. Отчёт должен содержать:

а) теоретические сведения по теме;

б) описание и зарисованную схему микрошлифа стали;

в) расчет определения количества углерода;

г) примерные механические свойства заданной стали (по справочным материалам).

5. Контрольные вопросы.

5.1. Через какую точку диаграммы Fe - С проходит граница между областью чугуна и областью стали?

5.2. При каком охлаждении получают равновесные, ненапряженные структуры?

5.3. Сколько процентов углерода содержит эавтектоидная сталь?

5.4. Что такое сталь заэвтектоидная?

5.5. Почему график прочности σ _в имеет точку перегиба на 1% С?

Лабораторная работа № 6

Термическая обработка углеродистых сталей

1. Цель работы: ознакомиться и изучить оборудование, технологию проведения закалки и нормализации углеродистых сталей; определить влияние скорости охлаждения и содержания углерода на величину твердости, получаемой в результате термической обработки.

2. Теоретические сведения.

2.1.Любая термическая обработка стали есть технологический процесс, кото­рый состоит из нагрева металла до заданной температуры, выдержки при этой тем­пературе и охлаждения с той или иной скоростью. Главная цель термической обра­ботки - изменение свойств стали (в основном механических) за счет изменения структуры. Состав металла при этом не изменяется.

Стальные образцы нагревают в муфельных электропечах различных конструкций.

Одна из конструкций муфельной печи, удобной в эксплуатации, показана на рис. 6.1. Печь представляет собой металлический корпус 1, внутри которого поме­щен муфель, собранный из четырех шамотных плит 2. В каждой плите имеется по четыре продольных паза, в которых помещены нагревательные спирали 3.

Рис.б.1. Муфельная печь

На поду печи установлена отдельная керамическая плитка 4, на которую поме­щают нагреваемые образцы. При необходимости керамическую плитку можно вынуть, положить на выдвижной столик 5, расположить на плитке образцы и вновь поместить в печь. Пространство между плитами и корпусом заполнено теплоизоляционным мате­риалом. Спереди рабочая камера закрывается керамической дверцей 6 с металлической обшивкой. В задней стенке печи имеется отверстие 7 для установки термопары. Тем­пературу в печи регулируют рычажным реостатом; изготовленным в виде подставки 8 к печи. Реостат вводят и выводят передвижением ручки 9, расположенной на правой боковой стенке подставки, где сделаны надписи «Введен» и «Выведен».

На задней стенке подставки находятся две клеммы 10 для подключения шнура и три штепсельных гнезда 11 с буквами А, Б и В. При включении штепсель­ной вилки 12 в гнезда А и Б печь потребляет полную мощность , а при включении в гнезда Б и В - рабочую мощность.

Максимальная температура нагрева печи 1000° С. Время разогрева до мак­симальной температуры 120 мин.

Перед тем как включить печь, реостат выводят, т.е. ручку 9 ставят в крайнее правое положение, а штепсельную вилку 12 включают в гнезда А и Б. Затем печь включают в сеть. Когда достигнута максимальная температура, штепсельную вилку 12 переставляют в гнезда Б и В (рабочий режим печи). Если необходима меньшая температура, постепенно вводят реостат передвижением ручки 9 справа налево.

Температура нагрева стали для проведения термической обработки может быть предварительно определена по диаграмме железо - углерод (участок стали ри­сунок 6.2) и уточнена по справочным данным или экспериментальным путем. Время нагрева и выдержки определяют расчетом, по справочникам и экспериментальным путем.

Основные виды термической обработки - отжиг, нормализация, закалка и от­пуск. В этой работе будут рассмотрены только отжиг, нормализация и закалка, т. е. те виды термической обработки, при которых происходят аустенитные превраще­ния.

2.2. Отжигом называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве, выдержке и медленном охлаждении сплава с целью получения устойчивой (равновесной) и ненапряженной структуры и устранения ликвации.

Выполняя отжиг, доэвтектоидную сталь нагревают выше критической точки Ас₃, а заэвтектоидную-выше Ac_t на 30- 50° С. После выдержки охлаждают очень медленно - вместе с печью. В результате получают равновесные структуры феррит с перлитом, перлит или перлит с цементитом.

Главная цель отжига – перекристаллизация зерна стали, снижение твердости и снятие внутренних напряжений. После отжига облегчается механическая обработка или пластическая деформация.

Различают отжиг I и II рода.

Отжиг 1 рода: не связан с фазовыми превраще­ниями и имеет следующие разновидности: диффузонный, рекристаялизационный и для снятия напряжений.

Отжиг II рода связан с фазовыми превращениями в твердом состоянии, и может быть полным, не полным и изотермическим (см. таблицу 6.1).

2.3. Нормализацией называют операцию нагрева стали до аустенитного состояния (выше линии GSE на 30-50° С), выдержки и охлаждения на воздухе. Цель нормализации - перекристаллизация зерна стали, снятие внутренних напряжений, подготовка стали к дальнейшей пластической деформации, механической или термической обработке. По­сле нормализации сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру Для низкоуглеродистых сталей нормализация может заменить отжиг, а для средне- и высокоуглеродистых сталей - закалку с высоким отпуском. Она является экономичной и производительной операцией и широко применяется в машиностроении.

2.4. Закалкой - называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали на 30-50 ^о С выше линии GSE, выдержке и быстром охлаждении с целью соз­дания неустойчивых (напряженных) структур, а также повышения твердости. Ско­рость охлаждения нагретой стали должна быть не менее критической скорости, оп­ределяемой для каждой марки стали.

Критическая скорость - минимальная скорость охлаждения (градусы/секунда), которая может обеспечить превращение аустенита в мартенсит. В этом случае угле­род не успевает выделиться из кристаллической решетки (он перестраивается из

γ - железа в кристаллическую решетку α - железа) и получается однофазный перена­сыщенный твердый раствор углерода в - α железе - мартенсит. Решетка сильно искажается, нарушается равенство межатомных сил и в стали накапливается значи­тельная внутренняя потенциальная энергия. Сталь приобретает высокую твердость, но ее пластичность при этом падает.

В зависимости от температуря нагрева, различают неполную и полную закалку.При полной закалке доэвтектоидную сталь нагревают выше критической точки Ас ₃ на 30-50° С и быстро охлаждают. В результате получают мартенсит с небольшим количе­ством остаточного аустенита. Применяя обработку холодом можно весь остаточный аустенит превратить в мартенсит, повысив тем самым твердость металла. Если нагреть доэвтоктоидную сталь до температур. расположенных между линиями (Ас ₁) и (Асз), то получится исходная структура, состоящая из аустенита и феррита и в результате закал­ки оставшийся не превращенный феррит будет значительно снижать твердость. Это брак производства, который исправляется повторной закалкой, с нагревом выше точки AC₃ на 30- 50° С. Перегревать доэвтектоидные стали тоже плохо, т к. увеличиваются зерна аустенита, могут образоваться деформация и трещины

Для эазвтектоияных сталей наилучшие результаты получают при неполной закал­ке, т.к. после охлаждения образуется структура мартенсита с исключениями вторичного цемента, который повышает твердость и износостойкость стали. Полная закалка дня этих сталей вызывает перегрев и лишние термические напряжения, а твердость даже может снизиться за счет растворения цементита и наличия остаточного аустенита.

3. Порядок выполнения работы.

3.I. Записать в отчет теоретические сведения об отжиге, закалке и нормализа­ции, переписать таблицу 6.1.

3 2 Измерить твердость образцов до термической обработки на твердомере и результаты занести в таблицу 6.2.

3.3. Загрузить образцы в печь и после нагрева и соответствующей выдержки охладить в воде, растворе, масле и воздухе

3.4. Измерить твердость образцов после термической обработки и результаты записать в таблицу 6.2.

3.5 По данным Таблицы 6 2 построить график зависимости твердости металла после за­калки от содержания углерода и скорости охлаждения.

3.6 Написать вымолы по работе.

Отчет должен содержать:

а) теоретические сведения по теме работы;

б) схему зон нагрева сталей для термической обработки:

в) результаты выполнения термической обработки предложенных образцов;

г) графики зависимости твердости металла от содержания углерода и скорости охлаждения;

л) выводы по работе.

5. Контрольное вопросы.

5.1. Что такое термическая обработка металла?

5.2. С какой целью выполняется термическая обработка?

5.3. Какие виды термообработки вы знаете?

5.4. Каковы различия между отжигом I и II рода?

5.5. С какой целью выполняется закалка металлов?

5.6. Какие пали подвергают полной или неполной закалке?

5.7. Влияет ли скорость охлаждения на качество закалки?

Таблица 6.2.

Результаты термической обработки

Таблица 6 1.

Классификация и характеристики термических обработок

Лабораторная работа № 7

Анализ и построение диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита.

1. Цель работы: провести анализ диаграммы изотермического превращения аусте­нита, ознакомиться с методикой ее построения, построить диаграмму изотермиче­ского распада аустенита для стали У 8 с различными видами закалки.

2. Теоретические сведения,

2.1.Если сталь после нагрева охлаждать очень медленно, то происходящие превращения можно установить, пользуясь диаграммой состояния железо - углерод При 727°С (точка А₁) должно происходить эвтектоидное превращение – аустенит, (Feγ) превращается в механическую смесь феррита (Fe _α ) или цементита (Fe ₃ С).

При охлаждении с большей скоростью механизм превращения аустенита отли­чен и может быть проанализирован при помощи специальной диаграммы, которую получают в эксперименте для каждой стали отдельно. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита С - образная диаграмма) - графическое изображение фазовых превращений, которые претерпевает аустенит при различных степенях переохлаждения ниже критических точек А₁ и А₃. На рис 7.1 приведена диаграмма для эвтектондной стали (0,8%С).

На диаграмме имеются три области:

- выше линии соответствующей критической точке А₁ - область устойчивого аусте­нита (А);

- между линиями А₁ , и М _н - область диффузионного превращения переохлажденного аустенита в смесь феррита и цементита (перлит);

-между линиями М_н и М_к - область бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит, так называемого мартенситного.

Точки М_н и М_к, означают начало и ко­нец превращения аустенита в мартенсит.

Левее первой С - образной кривой находится переохлажденный аустенит (А₁ ). Первая (левая) С - образная кривая соответствует началу диффузионного превращения аустенита, вторая (правая) С -образная - концу.

Выше перегиба С - образных кривых температура достаточна для активного протекания диффузионных процессов и происходит полное, так называемое перлитное превращение переохлажденного аустенита в пластинчатую смесь феррита и цементита. С увеличением степени переохлаждения пластинчатая смесь все больше измельчается и при более низких температурах сначала получается сорбит затем троостит.

Ниже перегиба С - образных кривых и до линии М_н температура недостаточна для полною завершения диффузионного процесса превращения аустенита в смесь феррита и цементита, и превращение носит черты как диффузионного перлитного превращения, так и бездиффузионного мартенситного. Поэтому оно нередко назы­вается промежуточным. Ближе к перегибу С - образной кривой получается верхний бейнит, имеющий перистое строение. Ближе к линия М_н образуется нижний бейнит, имеющий игольчатое строение,

Продукты диффузионного превращения аустенита существенно отличаются по своим механическим свойствам. Чем ниже температура, при которой они полу­чаются, тем выше их прочность и твердость, ниже пластичность и ударная вязкость.

Мартенснтное бездиффузионное превращение происходит в интервале темпе­ратур М_и – М _к , при непрерывном и быстром охлаждении. В результате получается структура - мартенсит. Она отличается большой твердостью и низкой пластично­стью и получается при охлаждении аустенита со скоростью более критической.

Критической скоростью закалки называется минимальная скорость охлажде­ния, при которой весь аустенит переохлаждается до мартенситной точки М _н и пре­вращается в мартенсит. С увеличением содержания до 0,8% и введением в сталь ле­гирующих элементов, кроме кобальта (Со), С - образные кривые смещаются вправо и критическая скорость закалки уменьшается, увеличивается прокаливаемость стали - глубина закалки.

Все легирующие элементы, кроме кобальта и алюминия, как и увеличение со­держания углерода, значительно снижают точки М _н и М _к и при положении М _к ниже 20^о С способствуют образованию в стали после закалки остаточного аустенита.

2.2. Диаграмма изотермического превращения аустенита имеет большое прак­тическое значение. На основании диаграммы разрабатывают режимы термообработкн, выбирают охлаждающую среду и т.д. Существует ряд методов построения диа­граммы изотермического превращения аустенита: магнитный, дилатометрический, микроструктурный, метод пробных закалок.

Рассмотрим последний - метод пробных закалок. Сущность его состоит в сле­дующем.

Из исследуемой стали вырезают образцы-диски диаметров 10-15 мм и толщиной 1,5-2 мм и в каждом из них около края просверливают отверстия, в кото­рые вставляют проволоку. Образцы нагревают в печи до температуры выше точек А₁ и А₃, выдерживают при этой температуре и быстро переносят в среду (обычно соли селитры), с заданной температурой изотермической выдержки. В изотермиче­ской среде каждый образец выдерживают определенное время - 2,3,5,10,100 или больше секунд, что зависит от состава стали и быстро охлаждают в воде со скоро­стью больше критической. Если при изотермической выдержке, например при тем­пературе t_в (точки а, б и в рис. 7.2.) не произошло диффузионное превращение переохлажденного аустенита, то при последующем ох­лаждении в воде он превратится в мартенсит, т.е. произойдет закалка стали.

Рис.7.2. Схема пробных закалок при изотермической обработке

Рис. 7.3. Изменение твердости стали в зависимости от длительности выдержки при определенной температуре с последующей закалкой.

Но как только переохлажденный аустенит при выдержке (точка г) начнет превращаться вферрит и цементит, при последующей закалке мартенсита будет получаться меньше

Наконец, после полито прекращения аустенита в эту смесь (точки д и е) мартенсит при закалке вовсе не будет получаться.

Если после закалки у каждого образца измерять твердость на приборе Роквел­ла, то можно получить определенную .графическую зависимость между временем изотермической выдержки и твердостью (рис.7.3).

Точке А соответствует закалка образцов бет изотермической выдержки. На графике легко можно найти время нача­ла (точка в) и конца (точка д) распада аустенита в смесь феррита и цементита, твер­дость при этом резко уменьшается до завершения распада. Получается кривая изме­нения твердости металла образца в зависимости от времени выдержки в изотерми­ческой среде при данной температуре.

Подобные кривые изменения твердости в зависимости от длительности изо­термической выдержки строят и для других температур. Затем по найденным точ­кам начала и конца распада аустенита, при заданных температурах изотермических выдержек строят С - образные кривые, наносят линии, соответствующие критиче­ским точкам Ас или Ас₃, М _н и М _к Чем больше будет использовано температур изо­термических выдержек, тем более точными получаются С- образные кривые.

3. Порядок выполнения работы

3.1. Записать в отчет теоретические сведения о методах получения, использо­вании и значения диаграммы изотермического превращения аустенита.

3.2. По методу пробных закалок произвести необходимые замеры и термиче­ские обработки образцов (марку стали дает преподаватель).

3.3. Но данным замеров построить кривые изменения твердости и по ним по­строить диаграмму изотермического превращения аустенита по заданной марке стали.

3.4. Сделать выводы и предложения.

4. Отчет должен содержать:

а) теоретические сведения об изучаемом процессе.

б) графики изменения твёрдости закаливаемых образцов.

в) диаграмму изотермического превращения аустенита для заданной стали .

г) выводы по проделанной работе.

5. Контрольные вопросы:

5.1. Что такое аустенит? Дать определение.

5.2. Что означают точки М_н и М_к ?

5.3. Объясните что такое критическая скорость закалки?

5.4. Влияет ли скорость закалки на твердость стали?

Лабораторная работа № 8

Отпуск закаленной стали и его влияние на микроструктуру и на механические свойства стали

1. Цель работы: усвоить теоретические основы процесса отпуска, ознакомиться с оборудованием, необходимым для проведения отпуска и определения ударной вяз­кости, провести операции отпуска при различных температурах и определить зави­симость твердости от температуры отпуска

2. Теоретические сведения

2.1. Основной структурой закаленной стали, является структура мартенсит, которая имеет высокую твердость, прочность, но низкие показатели пластичности и вязкости. /Для снижения твердости и прочности, уменьшения в них напряжений, по­вышения вязкости и пластичности, а также для получения более равновесной струк­туры изделия подвергают отпуску.

Отпуском называется нагрев стали до температуры ниже Ас, линия (РSК), выдержка при этой температуре и последующего охлаждения с заданной скоростью (обычно на воздухе).

Отпуск является конечной операцией термической обработки.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкотемпературный, средне-температурный и высокотемпературный

2.2. Низкотемпературный отпуск (низкий) осуществляется в интервале темпе­ратур 150-200 °С. Закаленные изделия нагревают, выдерживают в течение заданного времени, охлаждают, получая в результате структуру отпущенного мартенсита, не вызывая заметных изменений в микроструктуре.

В процессе низкого отпуска атомы углерода диффундируют из решетки тетра­гонального мартенсита (решетка вытянута от изгиба углерода) и образует мелкозер­нистый карбид железа. Вытянутость мартенсита уменьшается, и решетка его приоб­ретает форму куба.

Структура металла в этом случае представляет собой совокуп­ность перенасыщенного твердого раствора углерода в железе и высокодисперсного не отделившегося из него карбида железа.

В результате низкотемпературного от­пуска мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, имеющего повышен­ную ударную вязкость и пластичность. При этом сталь сохраняет высокую твер­дость.

Поэтому низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низкоуглеродистых и низколегированных сталей, а также после поверхностной закалки, цементации и т,д.

2.3. Среднетемпературный отпуск (средний) проводят при температуре 350-500 °С.

При температуре свыше 300 °С усиливаются диффузионные процессы. В карбид превращается и цементит, который отделяется от решетки твердого раствора. Образование цементита и его укрупнение сопровождается снижением твердости и повышением вязкости и пластичности.

В результате среднетемпературного отпуска образуется дисперсная смесь феррита и цементита, имеющая зернистую форму це­ментита сравнительно высокой твердости (НВ 450...500) и прочности с хорошей упругостью и достаточной вязкостью.

Среднетемпературному отпуску подвергают закаленные изделия, которые должны иметь упругие максимальные свойства при относительно высокой твердости пружины, рессоры, ударный инструмент - зубила, штампы и т.д.

2.4. Высокотемпературный отпуск осуществляется при температуре 500-650° С. При этом происходит полное снятие внутренних напряжений и укрупнение час­тиц цементита. В результате отпуска понижается твердость закаленной стали, но значительно увеличиваются пластичность и ударная вязкость

При высокотемпературном отпуске образуется структура, которая называется сорбит отпуска. Сорбит отпуска состоит из ферритной основы, пронизанной частич­ками цементита.

Высокому отпуску подвергают детали, испытывающие ударные и особенно знакопеременные нагрузки: шатуны двигателей, полуоси и оси тракторов и автомобилей, крепежные болты и др.

Закалку с последующим высоким отпуском часто называют улучшением стали.

Время выдержки при отпуске зависит от температуры отпуска и размера деталей Оно должно быть достаточным для завершения процессов диффузии в закаленной стали. В противном случае эффективность отпуска снижается.

Для легированных сталей время выдержки при отпуске несколько больше времени выдержки при нагреве пол закалку.

При низких температурах выдержка больше, чем при высоких. Охлаждение углеродистых сталей после отпуска можно проводить с любой скоростью, посколь­ку она не вызывает в стали структурных превращений (температура нагрева ниже Ас₁ - ниже фазовых превращений). Однако чрезмерно быстрое охлаждение может вызвать образование термических напряжений (особенно в деталях сложной фор­мы). Поэтому обычно охлаждение проводят на воздухе.

2.5. Механические свойства стали в большой степени зависят от вида (темпе­ратуры) отпуска. Зависимость некоторых свойств (твердости НВ, прочности σ _в пла­стичности δ и ударной вязкости α _н ) от температуры представлены на рис. 8.1 графи­ком. Особенно значительно нагрев влияет на изменение ударной вязкости стали.

Вязкость - способность металла поглощать работу внешних сил за счет пла­стической деформации. Испытание на ударную вязкость производится изломом образца падающим с определенной высоты маятником.

Работа удара А_н , затраченная на излом образца, определяется из разности энергии маятника в положении его до и по­сле удара (рис.8.2.):

А _н = Р (Н - h) = Pl (cos β - cos α) кГм, (8.1)

где P - вес маятника в кГ;

Н - высота подъема центра тяжести маятника до удара в м;

Лабораторная работа № 9

Изучение микроструктуры, свойств и маркировка чугунов

1.Цель работы:Ознакомиться со строением различных видов чугунов, получить навыки определения по микроструктуре вид чугуна, оценить приближенно его ме­ханические свойства и установить область применения.

2. Теоретические сведения

2.1. Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода больше 2,14 %, называются чугунами. В чугунах наряду с углеродом содержатся постоянные примеси, такие как кремний (Si 4,3 %) марганец (Mn 2%) сера (S 0,07%), фосфор (Р 1,2%) Механические свойства чугунов уступают сталям, но хорошие технологические (литейность, обрабатываемость, антифрикционность и др) свойства обуславли­вают довольно широкое применение их в промышленности.

В зависимости от состояния углерода чугуны подразделяют на две группы

- чугуны, в которых углерод находится в связном состоянии в виде цементита (FeC₃ );

- чугуны, где углерод находится в свободном состоянии, в виде графита.

Первая группа - белые чугуны. Белый чугун в зависимости от содержания углерода разделяется на доэвтектический (от 2,14 до 4,3%), эвтектический (4,3% С) и заэвтектический (от 4,3% до 6,67%С). Во всех чугунах имеется цементитная эвтек­тика.

Наличие в структуре твердых составляющих цементита и ледебурита делает чугун очень хрупким и твердым, они плоxo поддаются обработке. Из-за этого белые чугуны в машиностроении используются редко, они обычно идут на переплавку в сталь. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна.

2.2. Вторая группа - серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Структура их представляет собой металлическую основу, пронизанную графитовыми включениями. Свойства чугуна с графитом зависят от химического состава чугуна, количества, фор­мы, величины и характера распределения графитовых включений, структуры металли­ческой основы. Прочность графита по сравнению с металлической основой ничтожна, его присутстаие равносильно надрезу, пустоте.

Поэтому, чем равномернее расположе­ны графитовые включения в металлической основе и чем они меньше и их форма бли­же к округлой, тем меньше будет разобщена металлическая основа чугуна и прочност­ные свойства будут выше.

Наличие графита, снижая механические свойства чугуна, повышает его износостойкость и способность поглощать вибрации

2.3. В чугунах встречаются три формы графитовых включений: пластинчатая (рис. а), хлопьевидная (рис. б) и шаровидная (рис. в).

Пластинчатая форма свойственна обычным серым чугунам. Ее можно рас­сматривать, как трещины (надрезы).

Пластинчатая форма графита резко снижает прочностные свойства чугуна. Он обладает хорошими литейными свойствами, хо­рошо обрабатывается режущими инструментами. Из серых чугунов делают путем литья блоки цилиндров, картеры, маховики, станины металлообрабатывающих станков и т. д.

Шаровидную форму графита имеют высокопрочные чугуны, получаемые до­бавкой ферросилиция и магния или церия, которые способствуют получению шаро­видного графита (рис.б).

Структура высокопрочного чугуна состоит из перлитной или перлитно-ферригной металлической основы, в которой располагаются графитовые включения в форме шаров. Такая форма способствует повышению прочности и пластичности. Высокопрочный чугун - хороший .заменитель литой стали, и приме­няется для изготовления коленчатых валов, гильз цилиндров двигателей.

Высоко­прочные чугуны легируют хромом, никелем, молибденом, медью и т.д. с целью по­лучения чугунов с особыми свойствами. Из этих чугунов изготавливают детали прокатных станов и детали турбонасосов.

Хлопьевидная форма графита (рис. в) имеет место в ковком чугуне. Получают его из белых чугунов путем графитизирующего отжига (томление).

Отжиг произво­дится в две стадии. Сначала отливки из белого чугуна нагревают, в течении 20-25 часов, до температуры 950-970°С. Во время выдержки (15 ч) при этой температуре протекает первая стадия графитизации, т.е. распад цементита, входящего в состав

.ледебурита (А + Fe₃ С) и установление стабильного равновесия (аустенит + - графит).

Затем отливки медленно охлаждают (в течение 6-12часов) до температуры 720°С. Далее дают вторую длительную выдержку около 30 часов и после ее завершения структура чугуна состоит из графита и феррита. Из ковкого чугуна изготавливают картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы колес и др. Термин «ковкий чу­гун» является условным, поскольку изделия из него, так же как из любого другого чугуна изготавливают не ковкой, а литьем.

Рис. Формы графита в схематичном изображении: а) пластинчатая, б) шаровидная, в) хлопьевидная.

2.4. Механические свойства и маркировка чугунов. Маркируют серые чугуны буквами С -серый и Ч - чугун. После букв следуют цифры, которые указывают сред­нюю величину предела прочности при растяжении σ_в. Например, СЧ 20, σ _в = 200 МПа. Содержание углерода в серых чугунах находится в пределах 2,4 - 5,8 %, крем­ния 1,0 - 4,0 %, марганца 1,25 - 1,4 %, фосфора до 0,4 - 0,6 % и серы 0,1 - 0,12 %.

Таблица 9.1 Механические свойства серых чугунов (ГОСТ 1412-79)

Примечания:

1.Отливки из чугуна СЧ 21 и СЧ 24 предназначены для автомобильной про­мышленности.

2. Допускается низкое легирование чугуна различными элементами, (хром, никель, медь и др.).

Высокопрочный чугун маркируют буквами ВЧ - высокопрочный чугун, после, буквы первые две цифры указывают предел прочности при растяжении, вторая циф­ра - относительное удлинение. (Например: ВЧ 60-2, σ _в = 600 МПа, δ = 2 %)

Чугун ВЧ 45, δ = 0, для которого пластические свойства не гарантируются, применяется для изделий, не испытывающих ударных нагрузок.

Ковкие чугуны маркируют КЧ - ковкий чугун и цифрами. Первые цифры обо­значают предел прочности при растяжении σ _в, вторые — относительное удлинение (%). Например: КЧ 45 - 6, σ _в = 450 МПа, δ =6 %.

Таблица 9.2 Механические свойства высокопрочных чугунов (ГОСТ 7293-85)

Таблица 9.3. Механические свойства ковких чугунов

3. Порядок выполнения работы

3.1. Подготовить микрошлифы различных видов чугунов.

3.2. Рассмотреть и изучить их под микроскопом.

3.3. Определить наименование чугуна по составляющим структуры.

3.4. Зарисовать схемы структур.

4. Отчет должен содержать:

4.1. Теоретические сведения по выполняемой работе.

4.2. Схемы структур различных видов чугунов.

5. Контрольные вопросы.

5.1. Как влияет форма и размер графита в чугуне на механические свойств?

5.2. Как отличаются серые, белые, ковкие и высокопрочные чугуны по хими­ческому составу?

5.3. Примеиение чугунов в сельскохозяйственном машиностроении.

Лабораторная работа №10

Изучение промышленной классификации сталей и их маркировка

1.Цель работы: ознакомить студентов с классификацией сталей по применению в машиностроении и технике и правилами их маркировки.

2.Теоретические сведение

Сталью называется сплав железа с углеродом содержащий от 0,025 до 2,14% углерода.

Стали именуются у

• ⇐ Назад
• 1
• 2
• 34