Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Термическая обработка углеродистых сталей. Электродуговая сварка

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Термическая обработка углеродистых сталей. Электродуговая сварка

1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Рис. 1

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом, в железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

Аустенит (обозначают A или г) - твердый раствор внедрения углерода в Feг. Имеет ГЦК - решетку, растворяет углерода до 2,14%, немагнитен, твердость (HB 160-200).

Феррит (обозначают Ф или б) - твердый раствор внедрения углерода в Feб. Имеет ОЦК - решетку, растворяет углерода до 0,02% (727°C), при 20°C менее 0,006%, ферромагнитен до температуры 769 °C, твердость (HB 80-100).

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (Fe3C). Содержит 6,67% C. При нормальных условиях цементит тверд (HB 800) и хрупок. Слабо ферромагнитен до 210°C.

Диаграмма состояния Fe-Fe3C показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита. Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограниченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF). Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации в другую и за счет изменения растворимости углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe-Fe3C происходят следующие изотермические превращения:

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147°C) ЖС> (АЕ+ЦF);

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727°C) AS > (ФР + ЦК).

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита - перлитом (П). Ледебурит содержит 4,3% углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Лпр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (HB 700) и хрупкость.

Перлит содержит 0,8% углерода. В зависимости от формы частичек цементит бывает пластинчатый и зернистый. Является прочной структурной составляющей с твердостью (HB210).

Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах. Рассмотрим значение линий диаграммы при медленном охлаждении.

ACD - линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. AECF - линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. АС - из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита. CD - линия выделения первичного цементита. AE - заканчивается кристаллизация аустенита. ECF - линия эвтектического превращения. GS - определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727°C). GP - определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита. PSK - линия эвтектоидного превращения. ES - линия выделения вторичного цементита. PQ - линия выделения третичного цементита.

Линии диаграммы: делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений.

I - Жидкий раствор (Ж).

II -Жидкий раствор (Ж) и кристаллы аустенита (А).

III - Жидкий раствор (Ж) и кристаллы цементита первичного (ЦI).

IV - Кристаллы аустенита (А).

V - Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф).

VI - Кристаллы феррита (Ф).

VII - Кристаллы аустенита (А) и цементита вторичного (ЦII).

VIII - Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (ЦIII).

IX - Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П).

X - Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (ЦII).

XI - Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (ЦII).

XII - Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (ЦII) и ледебурита превращенного (Лпр).

XIII -Кристаллы ледебурита и цементита первичного (ЦI).

XIV - Кристаллы цементита первичного (ЦI) перлита (П) и ледебурита превращенного (Лпр).

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы; К - число компонентов, образующих систему; 1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях); Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 1%С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре - Перлит + Цементит.

Рис. 2

При охлаждении заэвтектоидных сталей из аустенита по линии ES начинает выделяться вторичный цементит. При дальнейшем охлаждении между линиями ES и SK структура стали состоит из аустенита и вторичного цементита, количество которого непрерывно возрастает. Охлаждаясь, аустенит обедняется углеродом и достигает эвтектоидного состава (0,8%С) при температуре 727° С (линия SK).

Таким образом в доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталях при температуре 727°С аустенит содержит 0,8%С и распадается при постоянной температуре на две фазы: феррит и цементит: А0,8%С > (Ф0,02%С + Ц6,67%С), а структура образующейся механической смеси называется перлитом.

Рис. 3

Образцом такой стали может служить сталь инструментальная углеродистая марки У10А. Из неё делают режущие инструменты, работающие в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: метчики ручные, метчики машинные мелкоразмерные, плашки для круппов, развертки мелкоразмерные, надфили, измерительный инструмент простой формы: гладкие калибры, скобы.

Табл. 1. Химический состав в % материала У10А.

2. Термическая обработка углеродистых сталей

Шестерня из стали 50

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 760°С (ниже точки Ас3) структура стали 40 - аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали - мартенсит + феррит.

По диаграмме определяем температуру критических точек стали 50. Ac1 = 724°С, Ac3(Acm) = 760°С, Ar3(Arcm) = 750°С, Ar1 = 690°С. Закалка заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на 30-50°С выше температуры Ас3, следовательно, температура закалки порядка 850°С.

Сталь 50 Ї сталь конструкционная углеродистая качественная. Из нее делают зубчатые колеса, прокатные валки, штоки, тяжелонагруженные валы, оси, бандажи, малонагруженные пружины и рессоры, лемехи, пальцы звеньев гусениц, муфты сцепления коробок передач, корпуса форсунок и другие детали, работающие на трение.

Табл. 2. Химический состав в % стали 50

Если скорость охлаждения при закалке достаточно велика, для того, чтобы не образовался перлит, но слишком мала для образования мартенсита в сталях, появится промежуточная структура - бейнит. Внешне она имеет игольчатую структуру как мартенсит, но сами иглы представляют собой феррит, внутри которого выделяется мельчайшие частицы цемента. Если скорость охлаждается стали превышает критическую скорость, то образуется в мартенсит, обеспечивающий максимальную твердость в закаленной стали. Наиболее эффективное охлаждение обеспечивает вода, но ее недостаток - слишком быстрое охлаждение в интервале мартенситного превращения. В результате возникают большие внутренние напряжения. Минеральное масло наоборот дает малую скорость охлаждения в области мартенситного превращения, но не достаточно быструю в области перлитного превращения.

Вода комнатной температуры охлаждает сталь в интервале 650-550°С со скоростью, высшей за критическую (приблизительно 660 град/сек). В этом ее преимущество как закалочной среды. Важным недостатком воды является то, что в момент аустенито-мартенситного преобразование она охлаждает сталь также с большой скоростью (около 300 град/сек), а это приводит к возникновению больших внутренних напряжений, которые приводят к короблению и даже растрескиванию изделий, которые закаливаются.

· После предварительной механической обработки (нарезание зубьев): шестерню следует закалить.

· Нагрев под закалку можно произвести в электрической лечи камерного типа. Температура нагрева 820--840°.

· Выдержка при этой температуре 30--20 мин.

· Охлаждение в воде.

· Высокий отпуск производят при температуре 500--600° в течение 1,5 часа с последующим охлаждением в воде.

Такая обработка -- «термическое улучшение» -- приведет к образованию в металле сорбитовой структуры с твердостью Нв=250-- 300 и обеспечит зубу шестерни хорошую прочность и высокую вязкость сердцевины.

Однако от зуба шестерни требуется также высокая износостойкость.

Поэтому шестерню после окончательной шлифовки зубьев закаливают токами высокой частоты на глубину 2,0--2,5 мм с охлаждением в воде.

Последующий отпуск при 150°С для снятия внутренних напряжений сохраняет твердость поверхности зуба HB =550--600.

В результате такой обработки зуб шестерни будет прочный, хорошо сопротивляемый ударам и износостойкий.

Аустенит неоднороден по химическому составу. В тех местах, где были пластинки цементита, аустенит богаче углеродом, а где пластинки феррита - беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше критической точки Ас3 (на 30-50°С) и выдерживают некоторое время при этой температуре. Процесс аустенизации идет тем быстрее, чем выше превышение фактической температуры нагрева под закалку относительно температуры Ас3. Доэвтектоидные стали для полной закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали 50 под полную закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 50 при температуре нагрева под закалку - аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической - мартенсит.

Если нагреть выше этой температуры мелкие зерна аустенита начинают соединяться между собой и чем выше температура нагрева, тем интенсивнее увеличиваются размеры. Крупнозернистая структура ухудшает механические свойства стали.

Рис. 4. Микроструктура стали 50 до и после закалки

Рис. 5. Микроструктура стали 50 до и после отпуска

3. Электродуговая сварка

эвтектический феррит дуговой сварка

Разработать технологический процесс ручной дуговой сварки плавящимся электродом с покрытием в нижнем положении со стыковым соединением свариваемых элементов.

Металл 15Г, толщина шва 2,5 мм, длина 650 мм.

Решение. По указанным техническим характеристикам подбираем электрод Э42 марки ОЗС-6 диаметром 2 мм. Число слоев 1. Коэффициент пропорциональности по току 30 А/мм, коэффициент наплавки 8,5 г/А-ч, длина электрода 250 мм. Коэффициент производительности 0,6, коэффициент падения напряжения на электродах 11.

Для обеспечения соответствующего сопротивления при растяжении необходимо взять электрод Э 60. Сварка ведётся в 4 слоя.

Сварочный ток определим I=50Ч6=300 А. Напряжение дуги примем равным 28 В.

Длина дуги L=0,5•452=226 мм

Площадь сечения стыкового шва F=5•11=55 мм2

Количество наплавленного металла

G=FLг=0,55•46•7,8=197 г.

Основное время горения дуги

Скорость сварки

Количество расплавленного металла

Коэффициент потерь

Расход электроэнергии рассчитаем по формуле Джоуля-Ленца [3]:

Q=UIt=0,001Ч300Ч28Ч0,066=0,55 кВт-ч.

Литература

1. Линчевский Б. В., Соболевский А. Л., Кальменев А. А. Металлургия черных металлов Ї М.: Металлургия, 1986 Ї 360 с.

2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / Под ред. В. С. Чередниченко Ї М.: Омега-Л, 2006 Ї 752 с.

3. Материаловедение: учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Ю. П. Солнцев, С. А. Вологжанин Ї М.: Академия, 2007 Ї 496 с.

4. Материаловедение и технология металлов: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / Г. П. Фетисов, М. Г. Карпман, В. М. Матюнин и др. Ї М.: Высшая школа, 2007 Ї 862 с.

Размещено на Allbest.ru