Неограниченные твердые растворы (твердые растворы замещения). Марки сплавов стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос №1

Что такое неограниченные твердые растворы (твердые растворы замещения)? Приведите диаграмму состояния сплавов, образующих такие растворы. В чем заключается принцип построения диаграммы состояния?

Ответ. Твердый раствор - форма взаимодействия между веществами, входящими в состав сплава. В твердом растворе атомы в пространстве расположены закономерно, образуя кристаллическую решетку. В твердом растворе одно из входящих в состав веществ сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второе вещество, утратив свое кристаллическое строение, в виде отдельных атомов распределяются в кристаллической решетке первого. Первое вещество является растворителем, а второе - растворимым.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов основного металла. Посторонние атомы могут замещать атомы растворителя в любых местах, поэтому таки е растворы называют неупорядоченными твердыми растворами. Размеры атомов растворимого элемента всегда отличаются от размеров атомов растворителя, поэтому при образовании твердого раствора замещения кристаллическая решетка металла-растворителя немного искажается, не утрачивая при этом основного строения.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными. Одно из условий неограниченной растворимости - размерный фактор: чем больше различие в атомных радиусах, тем меньше растворимость.

Неограниченная растворимость компонентов присуща системам, в которых атомные радиусы элементов различаются не более чем на 8-15%. Кроме того, они должны быть изоморфными.

Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов системы представлены ниже на рисунке 1.

Сначала получают термические кривые. Полученные точки переносят на диаграмму, соединив точки начала кристаллизации сплавов и точки конца кристаллизации, получают диаграмму состояния.

Рисунок 1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Проведем анализ полученной диаграммы:

· количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

· число фаз: f = 2 (жидкая фаза L, кристаллы твердого раствора )

Основные линии диаграммы: acb - линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии; adb - линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

Характерные сплавы системы: чистые компоненты А и В кристаллизуются при постоянной температуре, кривая охлаждения компонента В представлена на рисунке 1, б.

Остальные сплавы кристаллизуются аналогично сплаву I, кривая охлаждения которого представлена на рисунке 1, б.

Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора . На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1-2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов твердого раствора ) число степеней свободы будет равно единице . При достижении температуры соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора .

Пользуясь диаграммой состояния можно для любого сплава при любой температуре определить не только число фаз, но и их состав и количественное соотношение. Для этого используется правило отрезков. Для проведения количественного структурно-фазового анализа через заданную точку проводят горизонталь (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы (ликвидус, солидус или оси компонентов).

· Определение состава фаз в точке m:

Для его определения через точку m проводят горизонталь до пересечения с ближайшими линиями диаграммы: ликвидус и солидус.

Состав жидкой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией ликвидус p на ось концентрации.

Состав твердой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией солидус q (или осью компонента) на ось концентрации.

Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а состав твердой фазы - по линии солидуса.

С понижением температуры состав фаз изменяется в сторону уменьшения содержания компонента В.

· Определение количественного соотношения жидкой и твердой фазы при заданной температуре (в точке m):

Количественная масса фаз обратно пропорциональна отрезкам проведенной коноды. Рассмотрим проведенную через точку m коноду и ее отрезки.

Количество всего сплава (Q_сп) определяется отрезком pq.

Отрезок, прилегающий к линии ликвидус pm, определяет количество твердой фазы:

Отрезок, прилегающий к линии солидус (или к оси компонента) mq, определяет количество жидкой фазы:

.

Вопрос №2

По диаграмме железо-цементит для сплава с заданным содержанием углерода:

а. опишите, какие фазовые и структурные превращения происходят при медленном охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры;

б. охарактеризуйте этот сплав;

в. определите при заданной температуре количество, химический состав фаз, процентное соотношение фаз (по правилу отрезков).

Сплав содержит 3,0% углерода; температура 900⁰С.

1. При охлаждении до температуры 1300⁰С сплав находится в жидком состоянии.

2. При температуре 1300⁰С начинается кристаллизация этого сплава с выделением из жидкой фазы кристаллов аустенита

Этот процесс идет при охлаждении до температуры 1147⁰С. Концентрация углерода в кристаллах аустенита - 4,3%, поэтому при их выделении концентрация углерода в жидкой фазе уменьшается с 3,0 до 2,4%.

3. При температуре 1147⁰С оставшаяся жидкость претерпевает эвтектическое превращение .

4. При охлаждении от 1147 до 727⁰С сплав имеет структуру . В этом сплаве образуется , т.к. при охлаждении состав аустенита изменяется по линии ES. Концентрация углерода с понижением температуры изменяется от 2,14 до 0,8%.

5. При температуре 727⁰С происходит эвтектоидное превращение . Ниже температуры 727⁰С сплав имеет структуру . Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита. Концентрация углерода 0,8%.

Рисунок 2. Диаграмма состояния железо-цементит

Химический состав аустенита определяется точкой а: 1,2% углерода и 98,8% железа.

Химический состав цементита определяется точкой с, он постоянен: 6,67% углерода и 93,33% железа.

Процентное соотношение фаз в сплаве определяется по правилу отрезков.

Количество аустенита = ; Количество цементита = .

Отрезки ac=93мм, bc=64мм, ab=29мм измеряют диаграмме состояния железо-цементит в миллиметрах.

Количество аустенита =

Количество цементита =

Вопрос №3

Расшифруйте марки сплавов, укажите к какому классу относятся эти сплавы, приведите их химический состав и механические свойства, укажите их назначение.

Для углеродистой стали (конструкционной или инструментальной) выберите оптимальные температуры закалки и отпуска, постройте график термической обработки. Опишите, какие превращения в структуре стали, происходят при нагреве и охлаждении стали при закалке и при отпуске закаленной стали.

Марка сплава: КЧ30-6

КЧ30-6- ковкий чугун, выпускается по ГОСТ 1215-59, относится к ферритному классу. Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.

Химический состав и механические свойства чугуна КЧ30-6 приведены в таблице 1 и 2 .

сплав структурный превращение охлаждение

Таблица 1. Химический состав чугуна КЧ30-6

Таблица 2. Механические свойства чугуна КЧ30-6

Сплав КЧ30-6 - ковкий чугун, обладающий высокими прочностными и пластическими характеристиками.

Ковкий чугун КЧ30-6 применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы).

Марка сплава: У12

Сталь У12 - инструментальная углеродистая сталь, выпускается по ГОСТ 1435-99, относится классу, заэвтектоидных ферритно-перлитных сталей.

Химический состав и механические свойства стали У12 приведены в таблице 3 и 4 .

Таблица 3. Химический состав стали У12

Таблица 4. Механические свойства стали У12

Сталь У12 - инструментальная углеродистая сталь, обладающая высокой твердостью и износостойкостью, прочностью, хорошо шлифуется.

Сталь У12 применяют для напильников, бритв, граверного инструмента.

Для снижения твердости и создания благоприятной структуры сталь У12 до изготовления инструмента подвергают предварительной термической обработке - отжигу, поскольку наличие вторичного цементита ухудшает качество и срок службы инструмента. Окончательная термическая обработка - закалка и отпуск.

График термической обработки стали У12 представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. График ХТО стали У12

Описание операций термической обработки стали У12

Структура стали У12 до обработки - феррит + перлит.

Критические точки: Ас₁ = 730⁰С и Ас₃ = 830⁰С.

1.Неполный отжиг применяется для получения равновесной структуры с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали, улучшения ее обрабатываемости резанием, измельчения зерен для подготовки к последующей закалке. Неполный отжиг применяют для заэвтектоидных сталей, нагревают до температуры на 30…50⁰С выше температуры, соответствующей точке Ас₁, что вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую форму перлита вместо пластинчатой.

. После неполного отжига стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, т.е. возможно применение больших скоростей резания и достигается высокая частота поверхности. Скорость охлаждения - 150…200⁰С/ч. (для углеродистых сталей). Продолжительность отжига зависит от размеров детали и может быть в пределах от 2…20 часов (для небольших деталей обычно 1…4 часа).

2.Закалка - термическая обработка, которая заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью, выше критической с целью получения максимальной твердости и прочности стали.

Изделие нагревают на 30…50⁰С выше температуры Ас₁, т.е. . Общая продолжительность выдержки в печи определяется суммарным временем: время нагрева и временем выдержки : . Время нагрева определяют из расчета 1 мин. на 1 мм сечения. Время выдержки принимают равным 0,25 от времени нагрева.

Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, которое должно осуществляться со скоростью больше критической для получения мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

Критическая скорость закалки определяется по С-образной диаграмме распада аустенита для каждой марки стали.

Углеродистые стали закаливают на мартенсит только в резких средах (вода, раствор щелочи).

Структура закаленной стали У12 - мелкоигольчатый мартенсит или мелкозернистый мартенсит с мелкими карбидами.

3.Отпуск - заключительная операция термической обработки, правильность проведения которой зависит качество детали. Рекомендуется осуществлять ее сразу после закалки.

Для инструментов из стали У12, где требуется высокая твердость и износостойкость, применяют низкий отпуск при температурах 150-200⁰С. Низкий отпуск снижает напряжения.

Продолжительность отпуска зависит от размеров детали (0,5…4 часа). Общее время пребывания детали в электропечи составляет 2 мин. на 1 мм максимального сечения (для углеродистых сталей), но не менее 30-40 мин. для деталей небольшого размера. Охлаждение после отпуска на воздухе.

В структуре стали, сохраняется мартенсит, но с несколько измененной кристаллической решеткой, в результате чего немного уменьшается твердость и внутренние напряжения. Структура - отпущенный мартенсит или мартенсит отпуска.

Марка сплава: 60С2ХФА

60С2ХФА - высококачественная рессорно-пружинная легированная сталь, выпускается по ГОСТ 14959-79.

Химический состав и механические свойства стали 60С2ХФА приведены в таблицах 5 и 6 .

Таблица 5. Химический состав стали 60С2ХФА

Таблица 6. Механические свойства стали 60С2ХФА

Сталь 60С2ХФА - высококачественная рессорно-пружинная легированная сталь, сохраняющая в течение длительного времени упругие свойства. Имеет высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости при пониженной пластичности.

Сталь 60С2ХФА используется для изготовления ответственных пружин, рессорных листов, бамперов.

Марка сплава: Т15К6

Сплав Т15К6 - твердый спеченный сплав, относящийся к титановольфрамовой группе, выпускается по ГОСТ 3882-74.

Химический состав и механические свойства сплава Т15К6 приведены в таблице 7 и 8 .

Таблица 7. Химический состав сплава Т15К6

Таблица 8. Механические свойства стали Т15К6

Сплав Т15К6 - инструментальный твердый спеченный сплав, обладает хорошей твердостью, износостойкость, теплопрочности и повышенной вязкостью, но является хрупким.

Сплав Т15К6 применяют для изготовления режущего и горного инструмента, для износостойких деталей, а также для обработки металлов резанием.

Литература

1. Архипова Е.В. Материаловедение. Рабочая программа, методические указания и задание на контрольную работу. Челябинск: ЧИПС, 2006

2. ГОСТ 1215-59. Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия. 1990

3. ГОСТ 1435-99. Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Общие технические условия. Минск: межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1999

4. под ред. Б.В. Кнорозова. Технология металлов. М.: Металлургия, 1978

5. ред Нахимова Л.И. ГОСТ 14959-79. Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2006

6. ред. Нахимова Л.И. ГОСТ 3882-74. Сплавы твердые спеченные. Марки. М.: ИПК издательство стандартов, 1997

7. Патрушев А.А. Материаловедение. Методические указания. Челябинск: ЧГАУ, 2007

Размещено на Allbest.ru