Технология термической обработки металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание 1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,5% углерода. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как этот сплав называется.

Построение кривой охлаждения.

· Для заданного состава проводим линию сплава.

· Отмечаем каждое пересечение линии сплава с линиями диаграммы.

· Сносим каждую точку пересечения на диаграмме для построения кривой охлаждения.

· До точки 1 существует только жидкий раствор.

· В точке 1 начинается кристаллизация аустенита из жидкого раствора. В точке 2 кристаллизация заканчивается.

· При температуре 1147°С, соответствующей точке 2, жидкая часть сплава превращается в ледебурит (механическая смесь, состоящая из аустенита и цементита). Происходит эвтектическое превращение, поэтому на кривой охлаждения изображаем прямую линию. Ниже точки 2 из аустенита выделяется вторичный цементит. Состав сплава - аустенит, цементит вторичный, ледебурит.

· В точке 3 (температура 727°С) происходит эвтектоидное превращение, в результате которого аустенит превращается в перлит. Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре, поэтому на кривой охлаждения изображаем горизонтальный участок. Микроструктура: перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден).

· При дальнейшем охлаждении от точки 3 до комнатной температуры сплав представлен перлитом, вторичным цементитом, ледебуритом.

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количества фаз и компонентов:

С = К + П - Ф

где С - число степеней свободы (вариантность), т.е. число внешних и внутренних факторов, которое может изменяться без изменения числа фаз в системе;

К - количество компонентов (веществ, образующих систему);

П - число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), воздействующих на систему;

Ф - число фаз.

Так как рассматриваем влияние температуры (нагрев системы) на двухкомпонентную систему, то правило фаз можно записать следующим образом:

С = 2 + 1 - Ф

Число степеней свободы (согласно правилу фаз Гиббса) для заданного сплава в различных температурных интервалах:

С(выше 1) = 2+1-1 = 2 (фазы: жидкость)

С(1-2) = 2+1-2 = 1 (фазы: жидкость, аустенит)

С(по линии, соответствующей точке 2) = 2+1-3 = 0 (фазы: жидкость, аустенит, цементит)

С(2-3) = 2+1-2 = 1 (фазы: аустенит, цементит)

C(по линии, соответствующей точке 3) = 2+1-3 = 1 (фазы: аустенит, цементит, феррит)

С(ниже 3) = 2+1-2 = 1 (фазы: феррит, цементит)

Этот сплав при комнатной температуре называется доэвтектический чугун. Структура доэвтектического чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики - ледебурита.

Задание 2. Вычертите участок диаграммы Fe-Fe₃C для стали и нанесите на нем линии температур нагрева стали для термической обработки

1. расшифруйте марку стали (сталь 45), определите группу по назначению, назовите изготовляемые из этой стали детали.

2. по диаграмме Fe-Fe₃C определите температуры полного и неполного отжига, полной и неполной закалки, нормализации стали.

3. назовите охлаждающие среды и опишите цель, структуру и свойства стали после каждого вида термообработки.

4. какой вид термообработки и почему рационально применять для данной стали.

1. Сталь конструкционная углеродистая качественная с содержанием углерода 0,45%. Применяют для изготовления таких деталей, как: вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностной термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.

2. Полный отжиг - нагрев стали до температур, на 20-30°С превышающих верхнюю критическую точку (730°С), для данной стали - 750-760°С.

Неполный отжиг - нагрев стали до температур, на 30-40° превышающих нижнюю критическую точку (727°С), т.е. до температур 757-767°С.

Полная закалка (она применяется для эвтектоидных и доэвтектоидных сталей) осуществляется при температуре нагрева стали на 30-50°С выше А_С3 (785-805°С).

При неполной закалке сталь нагревают до межкритических температур (между Ас₁ и Ас₃), для стали 45 730-755°С.

Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали до температуры выше А_с3 с последующим охлаждением на воздухе.

3. Отжигом называется операция термической обработки, при которой путем нагрева, выдержки при установленных температурах и последующего медленного охлаждения (например, вместе с печью) в стали получают устойчивую структуру, свободную от остаточных напряжений. Цель отжига стальных изделий - снять внутренние напряжения, устранить структурную неоднородность, улучшить обрабатываемость резанием и подготовить к последующей термической обработке. Законченность структурных превращений в стали при отжиге составляет цель данной операции: лишь в этом случае свойства стали после отжига существенно улучшаются. Структура стали после охлаждения представлена ферритом и перлитом.

Охлаждение при закалке должно производиться со скоростью не меньше критической для того, чтобы предотвратить протекание диффузионных процессов и переохладить весь исходный аустенит до температурного интервала мартенситного превращения. Основными охлаждающими средами являются вода или масло. Охлаждение после полной закалки в масло производят для того, чтобы обеспечить оптимальную скорость охлаждения. При такой скорости диффузионный распад аустенита подавляется - аустенит претерпевает только мартенситное превращение. Образование мартенсита в результате закалки приводит к увеличению твердости, прочности, но резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках.

При неполной закалке образуется аустенит при сохранении некоторого количества цементита. После охлаждения сталь состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, которые обладают высокой твердостью.

При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке. В результате охлаждения на воздухе распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при более низких температурах, а, следовательно, повышается дисперсность смеси. Нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска (улучшения). Механические свойства при этом понижаются, но уменьшается деформация изделий по сравнению с получаемой при закалке. Сталь 45 после нормализации имеет структуру перлита и феррита.

4. Из стали 45 изготавливают зубчатые колеса, работающие при низких скоростях и малых давлениях. Их подвергают нормализации при 850-870°С (твердость НВ 170-217) или улучшению - закалке в воде от 820-840° С и отпуску при 520-550°С (НВ 220-250).

Задание 3. Для некоторых деталей выбрана легированная сталь марки ШХ9

1. Расшифруйте состав, определите группу стали по назначению, назовите детали, изготавливаемые из этой стали.

2. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, опишите структуру и свойства стали после термообработки.

3. Объясните влияние легирующих элементов на точки и линии диаграммы Fe-Fe₃C, на термическую обработку и свойства стали.

1. Шарикоподшипниковая сталь с концентрацией углерода от 1,05 до 1,10 % и хрома 0,9...1,3 %. Это сталь, идущая для изготовления любых подшипников качения: шариковых, роликовых и игольчатых. Из стали ШХ9 изготавливают шарики и ролики небольших размеров.

Рисунок1. Микроструктура стали после термообработки

2. Для получения высоких прочностных и эксплуатационных характеристик подшипниковые стали подвергают закалке в масло и отпуску при температуре 150-200°С. Температура закалки составляет 790…880°С в зависимости от массивности деталей. Охлаждение - в масле (кольца, ролики), в водном растворе соды или соли (шарики). Оптимальной исходной структурой, обеспечивающей при закалке сочетание наибольшего насыщения твердого раствора и минимальной величины зерна, является структура однородного мелкозернистого перлита. Отпуск стали проводят при температуре 150…170°С в течение 1…2 часов. Высокое содержание углерода и хрома после закалки обеспечивает структуру мартенсит плюс карбиды, Это отпущенный мелкоигольчатый мартенсит и равномерно распределенные избыточные карбиды (рисунок 1). У подшипниковых сталей большое значение имеет карбидная составляющая, которая определяет степень насыщения твердого раствора и величину действительного зерна при нагреве под закалку.

Сталь имеет высокую твердость (62…66 НRC), износостойкость, необходимую прокаливаемость. Сталь обладает пониженной обрабатываемостью резанием и требует высоких угловых скоростей при резании.

3. Эвтектоидная точка у сталей типа «ШХ» смещена несколько влево. Например, для стали марки ШХ9 она соответствует концентрации углерода, равной 0,7 % и находится в пределах 730-755°С.

Хром помогать образованию мартенсита - наиболее твердой фазы. Но, вместе с этим, наличие хрома способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образовываться крупнозернистая структура перегретой стали.

Задание №4. Для изготовления деталей машин и приборов выбран сплав цветного металла (Л90)

1. Расшифруйте состав, укажите, к какой группе относится сплав, приведите примеры деталей из него.

2. Опишите влияние легирующих элементов.

3. Назовите термообработку, возможности упрочнения, режим, структуру и свойства сплава.

1. Латунь, обрабатываемая давлением. Латунь простая (двойная), т.е. в качестве легирующего компонента в сплаве присутствует только цинк (около 10%). Очень хорошо деформируется в холодном состоянии, особенно волочением; не склонна к коррозионному растрескиванию; пригодна для ковки, чеканки, эмалирования.

Применение: полуфабрикаты (прутки, ленты, листы, полосы, трубы); проволока для деталей электротехники; медали и значки.

Химический состав, %

2. Цинк придает латуни более высокую прочностью, коррозионную стойкостью, лучшие литейные свойства. По составу латунь является однофазной (б-латуни) и представляет собой твердый раствор цинка в меди (б-фаза). Она обладает хорошей пластичностью во всем интервале температур, поэтому хорошо обрабатывается давлением при высоких и низких температурах.

3. Основной вид термической обработки латуней - отжиг, который проводится для смягчения сплавов перед обработкой давлением, получения в заготовках необходимых свойств, а также для устранения склонности к сезонному растрескиванию.

Простые латуни легко поддаются обработке давлением. В процессе холодной обработки давлением двухкомпонентные латуни, как и медь, получают наклеп, вследствие которого возрастает прочность и падает пластичность. Поэтому такие латуни подвергают термической обработке - рекристаллизационному отжигу по режиму: нагрев до 450-650°С, со скоростью 180-200°С/ч, выдержка 1,5-2,0 ч и охлаждение на спокойном воздухе. Прочность латуни после отжига у_В = 240-320 МПа, относительное удлинение д = 49-52%. В промышленных условиях отжиг осуществляется при температуре 600…700°С.

Латунные изделия с большим внутренним напряжением в металле подвержены растрескиванию. При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, изделия перед длительным хранением подвергают низкотемпературному отжигу при 250-300°С.

Задание 5. Выбран неметаллический материал (термопластические пластмассы)

чугун сплав аустенит ледебурит

1. Укажите состав и свойства, назначение материала, назовите изготавливаемые из него детали.

2. Опишите строение, применяемую обработку, рабочие характеристики материала, предъявляемые к нему требования, границы применимости.

1. Пластические массы (пластмассы) - это синтетические материалы, получаемые на основе органических и элементо-органических полимеров. На определенной стадии изготовления они приобретают пластические свойства и в этом состоянии из них могут быть получены изделия заданной формы. Термопластичные пластмассы применяют для изготовления деталей различных приборов общего назначения, в электро- и радиотехнике и т. д. Их используют для изготовления различных материалов: пленок, волокон, листов, труб. Наиболее широко применяют термопласты в виде гомогенных материалов, реже в виде газонаполненных либо наполненных порошками или волокнами.

Для большинства термопластичных пластмасс характерен низкий температурный предел (60-80°С), при котором деталь (изделие), находясь под нагрузкой, сохраняет свою форму. Наряду с этим термопластичные пластмассы отличаются значительной ползучестью (хладотекучестью) под влиянием постоянно действующей нагрузки. Ползучесть повышается с увеличением нагрузки и повышением температуры.

Термопластичные пластмассы (термопласты) под действием тепла и давления заполняют форму и затвердевают в ней при охлаждении. Процесс этот может быть повторен. Термопластичные пластмассы - обратимы; при нагреве они размягчаются или плавятся, а при охлаждении твердеют. Детали, изготовленные из термопластичных пластмасс, допускают многократное использование их материала для переработки в другие детали, но повторная переработка ухудшает физико-механические свойства.

Термопластичные пластмассы способны свариваться. При нагреве они становятся пластичными и затвердевают при охлаждении. Этот процесс может быть повторен неоднократно. После повторной переработки физико-химические свойства изделия несколько ухудшаются из-за перегрева, загрязнения, деструкции и т. п. Поэтому термопластичные массы (полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.) обычно изготовляют в виде полуфабрикатов (пленок, листов, стержней, профилей, труб), которые затем сгибают, штампуют, сваривают. К отрицательным свойствам термопластичных пластмасс относится резкое изменение механических свойств с изменением температуры даже в интервале температур, лежащих ниже температурного предела теплостойкости. Ниже дается краткое описание отдельных видов термопластичных пластмасс. Широкое применение находят термопластичные пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливинилхлорида, фторопластов, полиамидов и других полимеров.

2. Термопласты - это синтетические материалы, которые при нагревании становятся мягкими, а при охлаждении снова твердеют. Они состоят из нитеобразных (цепных) макромолекул, которые в большинстве случаев переплетаются между собой или могут быть связаны между собой (частично-кристаллическое строение). При невысоких температурах цепные молекулы лежат плотно и почти неподвижно друг возле друга. Пластмасса твердая и хрупкая. С увеличением температуры цепи молекул начинают двигаться, и силы притяжения между ними становятся все меньше. Пластмасса становится эластичной. При дальнейшем нагревании силы притяжения уменьшаются так сильно, что отдельные молекулы начинают скользить относительно друг друга, пластмасса становится пластичной.

Термопласты в их твердом состоянии могут обрабатываться резанием. В пластическом состоянии можно изменять их форму путем изгиба, вытяжки и выдувания. Если пластмасса мягкая, то се применяют путем распыления, прессования, прокатки или вспенивания.

Назначение: полиэтилен легко обрабатывается, хороший диэлектрик, легко окрашивается, горюч. Из него изготавливают пленки, различную домашнюю утварь, детали механизмов, не испытывающие больших нагрузок.

Поливинилхлорид (винипласт) - пластмасса белого цвета, но легко окрашивается химическими методами, пластична. Идет на изготовление облицовочной плитки, линолеума, листового пластика, бытовых изделий.

Акрилопласт (органическое стекло) прозрачен, хорошо поддается обработке, окрашивается химическими методами, горюч. Применяется для изготовления различных деталей бытовых и промышленных устройств.

Полистирол прозрачен, хорошо окрашивается в разные цвета, обладает высокими электроизолирующими свойствами, легко обрабатывается, пластичен, растворим в дихлорэтане и ацетоне. Применяется для изготовления облицовочной плитки, бытовых товаров, игрушек.

Полиамид - сырье для производства капрона, нейлона, дакрона и других тканей. Обладает довольно высокими прочностными характеристиками, что позволяет применять его в машиностроении.

Целлулоид прозрачен, окрашивается в различные цвета, хорошо обрабатывается, легко растворим в ацетоне, огнеопасен. Применяется в производстве домашней утвари и бытовой техники.

Ацетилцеллюлоза обладает свойствами, сходными с целлулоидом, но негорючая. Практически все пластмассы хорошо поддаются обработке. Их можно пилить, резать с помощью резака, сверлить, нарезать в отверстиях резьбу, а термопластичные материалы - сваривать, изгибать, изготавливать отливки.

Перечень использованной литературы

1. Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) / А.М. Адаскин - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.

2. Козлов Ю.С. Материаловедение / Ю.С. Козлов - М.: АГАР, 1999. - 182 с.

3. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

4. Основы материаловедения / Под редакцией И.И. Сидорина - М.: Машиностроение, 1976. - 436 с.

5. Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов. Курс лекций / А.А. Перебоева - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. - 143 с.

Размещено на Allbest.ru