Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Задача 1

Задача 2

Задача 3

Задача 4

Задача 5

Задача 6

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



Задача 1. Для чего применяется отжиг в процессе изготовления холоднокатаной стальной ленты? Как называется такой вид отжига?

Отжиг - термическая обработка, в результате которой металлы и сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной; при этом происходит разупрочнение, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.

Отжиг в процессе изготовления холоднокатаной стальной ленты применяется с целью восстановления мелкозернистой, равновесной, мягкой и вязкой структуры наклепанного металла.

Такой вид отжига называется рекристаллизационным (отжиг 1-го рода). Рекристаллизационный отжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры 650--700°С (ниже критической точки Ая), выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения.

В процессе рекристаллизационного отжига происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и металл возвращается в исходное состояние. Степень деформации определяет размер зерна после отжига. Если она близка к критической (eкр=5-15%), то в результате после отжига в металле возникают крупные зерна, что обычно нежелательно. Поэтому перед рекристаллизационным отжигом деформацию металлов производят со степенью 30-60%. В результате получается мелкозернистая однофазная структура, обеспечивающая хорошее сочетание прочности и пластичности. Увеличение степени деформации до 80-90% вызывает появление в металле текстуры деформации. После рекристаллизационного отжига текстура деформации меняется на текстуру рекристаллизации. Как правило, это сопровождается резким направленным ростом зерна. Увеличение размеров зерна, т.е. снижение механических свойств, может вызвать также слишком большая температура отжига или большая выдержка. Поэтому при назначении режимов отжига необходимо использовать диаграмму рекристаллизации.

Задача 2. Вычертите диаграмму железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600⁰С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,3% С. Для заданного сплава при температуре 125^оС определите: состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.

Решение

Для построения, описания превращений на каждом участке кривой охлаждения построим диаграмму состояния Fe-Fe₃C (рисунок 2.1), на ней вертикальной прямой, параллельной оси температур укажем железоуглеродистый сплав, содержащий 2,3% углерода.

Диаграмму метастабильного равновесия системы железо-цементит с неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии, ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с перитектическим превращением, эвтектическим превращением и с эвтектоидным превращением.

Линия АВСD - линия ликвидус. Выше сплавы находятся в жидком состоянии (L - ликвидус). Линия AHJECFD - линия солидус.

Характерным точкам диаграммы состояния Fe - Fe₃С соответствуют:

т. А - точка плавления чистого Fe - 1539 ⁰С.

т. N - точка полиморфного превращения - 1392 ⁰С:

-Fe-Fe;

т. G - точка полиморфного превращения -911 ⁰С:



Рисунок 2.1 - Диаграмма фазового состояния

- Fe - Fe;

т. D - температура плавления цементита 1250⁰С (в учебниках можно видеть различные температуры, т.к. они постоянно уточняются).

Линии диаграммы:

АВ - показывает температуру начала кристаллизации-феррита из жидкого сплава (Ж);

ВС - соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава;

СD - соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃С) из жидкого сплава;

АН - ниже этой линии существует только -феррит;

HJB - линия перитектического (нонвариантного С = 0) равновесия - 1499єС; по достижении этой температуры происходит реакция:

NH - начало полиморфного превращения:



- Ф - Fe (аустенита), или (- Ф А)

NJ - конец полиморфного превращения:

- Ф - Fe(аустенита), (или - Ф А)

Между линиями NH и NJ существует двухфазная структура: феррит (- Ф) и аустенит(- Fe)

JE- ниже соответствующих этой линии температур процесс кристаллизации заканчивается, после затвердевания структура сплавов однофазная - аустенит (- Fe ).

ECF -линия эвтектического равновесия (1147 єС):

Ла

Ж_С А_Е + Fe₃С

ледебурит (эвтектика)

Сплавы, находящиеся в интервале точек, называются:

EC - доэвтектические чугуны;

С - эвтектический чугун;

CF - заэвтектические чугуны;

PSK-линия эвтектоидного равновесии (727 ⁰С):

П

А_S Ф_р + Fe₃C

перлит (эвтектоид)

GS - начало полиморфного превращения:

- Fe (А) - Fe (Ф).

PG - конец полиморфного превращения:

- Fe (А) - Fe (Ф).

ES - линия предельной растворимости углерода (или цементита) в аустените, соответствует температурам начала внедрения из аустенита вторичного цементита.

PQ - линия ограниченной растворимости углерода в феррите, соответствует температурам начала внедрения третичного цементита.

Сплавы, находящиеся в интервале точек, называются:

PS - доэвтектоидные стали;

S - эвтектоидная сталь;

SE - заэвтектоидные стали.

На диаграмме имеется Ц_I ,Ц_II ,Ц_III - эти фазы не отличимы по химическому составу (т.е. имеют формулу Fe₃С), только:

Ц_I - выделяется из жидкости в заэвтектическом белом чугуне;

Ц_II - выделяется из аустенита в заэвтектоидных сталях или чугунах;

Ц_III - выделяется во всех сталях и чугунах из феррита.

Содержание углерода в диаграмме Fe -- С (цементит) ограничивается 6,67%, так как при этой концентрации образуется химическое соединение -- карбид железа (Fe₃C) или цементит, который и является вторым компонентом данной диаграммы.

Точка А (1539°С) отвечает температуре плавления железа, точка D (1500°С) -- температуре плавления цементита, точки N (1392°С) и G (910°С) соответствуют полиморфному превращению Fe_a <-» Fe_r

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния следующая:

В -- 0,51% С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с 6-ферритом (Fe₅(C)) и аустенитом (Fe_Y(C)), при перитектической реакции и при 1499°С;

Я -- 0,1% С в 5-феррите при 1490 °С;

J -- 0,16%С -- в аустените-перитектике при 1490°С;

Е -- 2,14% Спредельное содержание в аустените при 1147°С;

S -- 0,8% С в аустените при реакции эвтектоидного превращения 727 °С;

Р -- 0,02% С -- предельное содержание в феррите (Fe_a(C)) при 727°С.

Теперь рассмотрим линию солидуса АН, которая является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов 5-феррита; HJB -- линия перитектической реакции, т. е. жидкий расплав состава В взаимодействует с кристаллами 8-феррита состава Н с образованием аустенита состава J.

Линия ECF (линия солидуса) соответствует кристаллизации из жидкой фазы ледебурита -- эвтектики.

И так, линия солидуса AHJECF. Линия PSK эвтектоидного превращения, при охлаждении идет распад аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида (перлит).

У Fe_a(C) и Fe₅(C) один и тот же тип кристаллической решетки -- ОЦК, твердый раствор внедрения углерода в Fe8(C) называют высокотемпературным ферритом. Fe^C) имеет решетку ГЦК, твердый раствор внедрения углерода в Fe_Y(C).

По своим свойствам феррит достаточно мягок и пластичен (НВ 650--1300; ст, = 300 МПа; 6 = 30%), магнитен до 768°С (линия МО); аустенит (НВ 2000--2500; 5 = 40--50%) не магнитен. Цементит (Fe₃C) тверд, но очень хрупок (НВ > 8000), имеет сложную орторомбическую кристаллическую решетку, это химическое соединение железа с углеродом.

В системе (Fe--С) имеются две большие группы сплавов: стали и чугуны. Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С; сплавы с большим содержанием углерода называют чугунами.

Сталь, содержащую 0,8% С, называют эвтектоидной. Если в стали углерода менее 0,8%, то ее называют доэвтектоидной, а при содержании углерода более 0,8%, но < 2,14% С -- заэвтектоидной. Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита (светлая составляющая) и перлита, темная составляющая), структура эвтектоидной стали состоит только из перлита; структура заэвтектоидной стали состоит из перлита (темная составляющая) и цементита вторичного (светлая составляющая в виде сетки).

Перлит имеет пластинчатое строение, кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита. Эвтектоидную смесь, состоящую из феррита и цементита, называют перлитом. Необходимо помнить, что в реакции эвтектоидного превращения нет жидкой фазы и ее можно записать в следующем виде. сталь шпиндель станок турбиностроение

В доэвтектических белых чугунах (< 4,3 % С) кристаллизация сплава начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве (см. рис.) этот процесс идет в интервале температур точек 1-2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит) по реакции

Ж_с + А_Е > [А_Е+ Щ+ А_Е.

При последующем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 727°С превращается в перлит.

Под числом степеней свободы системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе. с= k-f+1 (при условии, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении), где f- число фаз; k - число компонентов. В области ниже 727 єС имеется две фазы - феррит и цементит, в области от 1147єС- аустенит и цементит.

Начиная с температуры точки 1, из жидкого сплава кристаллизуется твердый раствор. Процесс протекает при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз число степеней свободы будет равно единице (с=2+1-2=1 моновариантная система). Аналогично определяем степень свободы на других участках.

Определим для заданного сплава при температуре 1250єС состав фаз. Для определения состава фаз, лежащего между линиями ликвидус и солидус, нужно провести через данный температурный уровень линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус. Тогда проекция точки пересечения этой линии с ликвидусом (точка f) на ось концентрации укажет количество углерода в жидкой фазе (т.е. 3,4% С), точка пересечения с линией солидус (k)- в составе твердой фазы (1,45% С).

Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводим также горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз. Если массу сплава считать равной единице (или 100%) и изображать отрезком kmf, то масса кристаллов в точке m у данного сплава равна (в %) отношению

Количество жидкости при данной температуре и содержании углерода 2,3% равно

Отношение количества твердой и жидкой фаз определяется соотношением

Задача 3. Назначьте режим термической обработки (температура закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) шпинделей для станков из стали МСт6, которые должны иметь твердость НRC35-40. Опишите микроструктуру и свойства изделий.

Упрочняющая термическая обработка осуществляется путем закалки и последующего высокого или среднего отпуска. При этом, если выбор температуры нагрева для углеродистых сталей определяют из диаграммы Fe-С, то для легированных сталей эта температура несколько выше, так как получение легированного аустенита при наличии элементов Cr, Mo, V идет при более высоких температурах. В этом случае пользуются справочными данными.

Температуру отпуска выбирают в зависимости от показателей прочности и пластичности, необходимых для той или иной детали.

На чертежах вместо требований к прочности детали обычно указывают твердость.

Последовательность механической и термической обработок в этом случае выглядит следующим образом:

1. Изготовление заготовки шпинделей методом объемной штамповки с последующим отжигом (НВ = 172 ед.).

2. Улучшение: закалка от 820⁰С в масле и далее отпуск при 600⁰С, (НВ = 241 ед.).

3. Предварительная механическая обработка заготовки шпинделей.

4. Поверхностная закалка на глубину 2..3 мм и низкий отпуск 220⁰С, (НRс= 35-40 ед.).

5. Окончательная механическая обработка шпинделей.

В процессе закалки мартенсит распадается на феррито-цементитную смесь. Это превращение протекает в несколько этапов и зависит от температуры нагрева. При низком отпуске 220⁰С мартенсит теряет свою тетрогональность, карбиды обосабливаются. Получаемая структура - отпущенный мартенсит. Она отличается от мартенсита закалки большей травимостью из-за дисперсных выделений карбида.

Задача 4. В результате термической обработки пружины должны получить высокую упругость. Для изготовления их выбрана сталь 60С2ХФА. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Решение

Химический состав стали следующий:

Легирование пружинной стали необходимо для улучшения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы Si, Mn, Cr, V, W и Mo повышают предел упругости. Кремний способствует образованию фаз, вытягивающихся в направлении деформирования, и обуславливает анизотропию свойств. В пружинных сталях это положительное явление, т.к. повышается ударная вязкость в направлении деформирования. Однако кремний вызывает также обезуглероживание и графитизацию (получение черного излома). При небольших концентрациях кремния (до 0,6 %) предел упругости повышается, особенно при содержании 0,4% С, вероятно, это связано с нестабильностью остаточного аустенита.

Марганец не способствует обезуглероживанию и графитизации, но усиливает чувствительность стали к укрупнению зерна.

Хром повышает релаксационную стойкость пружин, а в сочетании с кремнием (при содержании 2,5-3,0%) уменьшает или устраняет опасность графитизации. Широко используют сталь марки 55ХГ.

Большое влияние на свойства стали оказывает структура и условия термообработки. Наиболее благоприятна трооститная структура (после закалки и среднего отпуска).

Вреден в пружинной стали остаточный аустенит, поэтому его содержание должно быть минимальным. Это достигается средним отпуском и обработкой холодом.

Для стали 60С2ХФА проводят закалку от 870^оС в масле и отпуск при 470^оС.

Предел кратковременной прочности составляет 1670МПа. Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации) 1470 МПа. Относительное удлинение при разрыве 6%. Относительное сужение 25%.

Твердость материала 60С2ХФА после отжига HB 10^-1 = 285 МПа. Твердость материала без термообработки HB 10^-1 = 321 МПа.

К отпускной хрупкости малосклонна.

Необходимо следить за обезуглероживанием ферритного слоя при термообработке, т.к. это приводит к снижению предела усталости, образованию при эксплуатации поверхностных трещин и разрушению.

Горячая прокатка создает в таких сталях структуру с сильно вытянутыми зернами феррита и перлита, а последующая термообработка способствует получению в стали волокнистого излома.

Задача 5. В турбиностроении используют сталь 40Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481). Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки. Как влияет температура эксплуатации на механические свойства данной стали?

Решение

Сталь легированная, аустенитного класса, жаропрочная, дисперсионно-твердеющая.

Сталь 40Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481) после низкотемпературного старения приобретает высокую твердость, но чувствительна к надрезу, а ее жаропрочные свойства нестабильны. Поэтому для этой стали применяется нагрев 1140-1160^oC, 1ч, охлаждение вода двоичное (или ступенчатое), старение 660°С (16 ч) и 800⁰С (16 ч), воздух. Старение при повышенной температуре способствует снятию части напряжений, возникающих при низкотемпературном старении частичной коагуляция карбидных фаз [5, С.319].

Механические свойства:

Предел кратковременной прочности составляет 1000 МПа. Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации) 600 МПа. Относительное удлинение при разрыве 20%. Относительное сужение 25%. Ударная вязкость 350 кДж / м2

Твердость материала после отжига HB 10 ^-1 = 269 МПа.

Физические свойства материала:

где:

T - Температура, при которой получены данные свойства, [Град]

E - Модуль упругости первого рода, [МПа]

a - Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20^o - T), [1/Град]

l - Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), [Вт/(м·град)]

r - Плотность материала, [кг/м3]

C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20^o-T), [Дж/(кг·град)]

R - Удельное электросопротивление, [Ом·м].

Задача 6. Для отливок сложной формы используют бронзу Бр.ОФ7-0,2. Расшифруйте состав, опишите структуру, укажите термическую обработку, применяемую для снятия внутренних напряжений, возникающих в результате литья и опишите механические свойства этой бронзы.

Решение

Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением по (ГОСТ 5017-49). Состав 6-8%, P 0.1-0.25%.

Бронзу маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие какие легирующие элементы содержаться в ней, а потом цифры показывающие количество процентов этих элементов в бронзе: Бр.ОФ7-0,2.

По микроструктуре оловянные бронзы разделяют на однофазные б-бронзы (содержание олова до 6%) и двухфазные б + эвтектоид [б д (CuslSn8) ] (содержание олова более 6%). Чем больше в сплаве олова, тем больше эвтектоида, а так как эвтектоид хрупкий, то в оловянных бронзах максимальное содержание олова 11%. Для выравнивания химического состава в однофазных бронзах и для превращения двухфазной структуры с включениями твердой д-фазы в однофазную б-фазу (в связи с чем повышается пластичность) бронзы подвергают гомогенизации при 700-750В° С с последующим быстрым охлаждением. Для снятия внутренних напряжений отливки отжигают при 550В° С. Деформируемые оловянные бронзы содержат олова до 6% (однофазные б-бронзы, например, Бр. ОЦ 4-3 и др.) и для восстановления пластичности между операциями холодной обработки давлением подвергают рекристаллизационному отжигу при 600-700В° С. Плотность бронзы БрОФ7-0,2 8,6 г/см³. Температура начала плавления 900⁰С. Сопротивление 0,17 (Ом·мм2)/м. Теплопроводность 0,1 см·с°С. Коэффициент линейного расширения17,0 б 10-6, 1/°С. Модуль упругости Е = 11 (500) кгс/мм2. Среднее напряжение у38-45 (96-110) вкгс/мм2. Твердость НВ85-95 (175-230). Температура отжига 600-650⁰С.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Волков Г.М., Зуев В.М. Материаловедение Материаловедение. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 400 с.

Материаловедение/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - 3-е изд., переработ. и доп. - М.: Изд-ве МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 648 с.

Материаловедение и технология металлов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова - 4-е изд., испр. - М.: Высш.шк.., 2006. - 862 с.

Мозберг Р.К. Материаловедение. - 2-е изд., перераб. - М.: Высшая школа, 1991. - 448 с.

Сильман Г.И. Материаловедение. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 336 с.

Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2004. - 736 с.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Под ред. Л.С. Ляховича. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с.

Размещено на Allbest.ru

...