Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Диаграмма Fe-C, Металоведение

Материаловедение.

Контрольная работа.

Задание.

Чем можно объяснить высокие электропроводность и теплопроводность металлов?

Вычертите диаграмму состояния системы висмут-натрий. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите фазовый состав и структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите изотермические превращения. Объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.

Как изменяются эксплуатационные характеристики деталей после поверхностного наклепа (дробеструйной обработки) и почему?

Изобразите диаграмму состояния железо-цемент (метастабильное равновесие) и железо-графит (стабильное равновесие) с указанием температур превращений и концентраций углерода характерных точек. Укажите фазы и структурные составляющие в различных областях диаграммы. Постройте кривую охлаждения для сплава с содержанием углерода 1,8 % из жидкого состояния до комнатной температуры. Опишите превращения, происходящие при охлаждении данного сплава.

помощью диаграммы состояния железо-карбид железа определите температуру полной и неполной закалки для стали 45 и дайте краткое описание микроструктуры и свойств стали после каждого вида термической обработки.

6. В результате термической обработки рессоры должны получить высокую упругость. Для их изготовления выбрана сталь 65С2ВА:

а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению и структуре в равновесном состоянии;

б) назначьте режим термической обработки, приведите подробное его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали;

в) опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

7. Для изготовления некоторых деталей двигателя внутреннего сгорания выбран сплав АК2;

а) расшифруйте состав и укажите способ изготовления деталей из этого сплава;

б) определите структуру в равновесном состоянии и способ упрочнения данного сплава.

1. Чем можно объяснить высокие электропроводность и теплопроводность металлов?

Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному С повышением температуры колебания ионов и атомов металлов усиливаются, что затрудняет движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электропроводности. При низких же температурах колебательное движение ионов и атомов, наоборот, сильно уменьшается, и электропроводность возрастает. Вблизи абсолютного нуля электрическое сопротивление у металлов практически отсутствует. Лучший проводник электричества - серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо. Также изменяется и теплопроводность металлов, которая вызвана как высокой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. Металлический блеск тоже связан с наличием свободных электронов.

2. Вычертите диаграмму состояния системы висмут-натрий. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите фазовый состав и структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите изотермические превращения. Объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.

Диаграмма состояния сплава висмут-натрий относится к диаграммам состояния V рода с устойчивыми химическими соединениями

Рис. 1. Диаграмма состояния сплава висмут-натрий

Двойной сплав Bi-Na имеет сложную (комбинированную) диаграмму состояния. Сложную диаграмму можно разбить на составляющие части, соответствующие основным типам, и в зависимости от состава сплава, рассматривать соответствующую часть диаграммы. Область жидкой фазы лежит выше линии ликвидус - ABCDEF, а область одновременного существования жидкой и твердой фаз – между линиями ликвидус ABCDEF и солидус AKBLGHMEN. Линия AKBLGHMEN – солидус.

В рассматриваемой системе существует один твердый раствор α, соответствующий области AKS. Это твердый раствор висмут в натрии. Точка К – точка максимальной растворимости, KS – линия предельной растворимости висмута в натрии. Висмута в натрии не растворяется. Растворимость Bi в жидком Na приведена ниже:

Температура, °С 650 71 792

Содержание Bi, % 5 10 20

Таким образом, фазами в данной системе являются: жидкость, -твердый раствор, химические соединения BiNa, BiNa₃, кристаллы Na.

Для диаграммы висмут-натрий характерно следующее:

Линия KBL – линия эвтектического превращения, тогда В - эвтектическая точка. Эвтектика представляет собой механическую смесь кристаллов α-твердого раствора и химического соединения BiNa . Эвтектическое превращение протекает по уравнению

Ж_в α_к + BiNa

Соединение Na₃Bi плавится конгруэнтно при 848°С; соединение NaBi образуется по перитектической реакции Ж + BiNa₃ = BiNa при температуре 430 °С. Эвтектика Ж= BiNa+ (Bi) кристаллизуется при температуре 215,9 °С и содержит 72 % Bi

В соответствии с правилом фаз эвтектическое превращение протекает при постоянной температуре, т.к. сплав находится в трехфазном равновесном состоянии. В этих условиях число степеней свободы будет равно нулю: С = К - + 1 = 2 – 3 + 1 = 0, где К – число компонентов (Bi и Na), и - число фаз (ж, α, BiNa ).

Сплавы, в структуре которых есть эвтектика, делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

У сплавов, расположенных ниже линии КВ структура будет состоять из α-твердого раствора и эвтектики, у сплавов ниже линии BL – из хим.соединения BiNa и эвтектики; эвтектический сплав в т. В состоит из одной эвтектики.

2. Линия CGH – линия образования неустойчивого химического соединения BiNa. Точка G – перитектическая точка. Реакция перитектического превращения:

Ж_с + BiNa₃ = BiNa .

Перитектическое превращение заключается в образовании кристаллов BiNa при взаимодействии жидкой и твердой фазы определенных химических составов. Для сплава в точке G в результате завершения перитектического превращения весь сплав будет состоять из химического соединения BiNa. Для сплавов, расположенных левее т. G (т. G до т. С) в избытке будет оставаться жидкая фаза; для сплавов, расположенных правее т. G (от т. G до т. Н) в избытке будет оставаться соединение BiNa₃. В соответствии с правилом фаз перитектическое превращение так же протекает при постоянной температуре.

3. Линия MEN – линия второго эвтектического превращения:

Ж_Е BiNa₃+ Na

Эвтектика будет состоять из мелкодисперсных кристаллов Na и хим. соединения BiNa₃. Сплавы, расположенные ниже линии МЕ являются доэвтектическими, структура их состоит из эвтектики и BiNa₃; сплавы, расположенные ниже линии EN являются заэвтектическими, структура состоит из Na и эвтектики.

Вид диаграммы, также как и свойства сплава, зависит от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава, то между ними должна существовать определенная связь.

Эта зависимость установлена Курнаковым.

При образовании химических соединений концентрация химического соединения отвечает максимуму на кривой.

Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой.

Рис.2 Изменение свойств

сплава от концентрации элементов

3. Как изменяются эксплуатационные характеристики деталей после поверхностного наклепа (дробеструйной обработки) и почему?

Текстура деформации создает кристаллическую анизотропию, при которой наибольшая разница свойств проявляется для направлений, расположенных под углом 45^o друг к другу. С увеличением степени деформации характеристики пластичности (относительное удлинение, относительное сужение) и вязкости (ударная вязкость) уменьшаются, а прочностные характеристики (предел упругости, предел текучести, предел прочности) и твердость увеличиваются (рис. 3). Также повышается электросопротивление, снижаются сопротивление коррозии, теплопроводность, магнитная проницаемость.

Рис.3. Влияние холодной пластической деформации на механические свойства металла

Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и других свойств металлов в процессе пластической деформации называют деформационным упрочнением или наклепом.

Упрочнение при наклепе объясняется возрастанием на несколько порядков плотности дислокаций:

Их свободное перемещение затрудняется взаимным влиянием, также торможением дислокаций в связи с измельчением блоков и зерен, искажениями решетки металлов, возникновением напряжений.

4. Изобразите диаграмму состояния железо-цемент (метастабильное равновесие) и железо-графит (стабильное равновесие) с указанием температур превращений и концентраций углерода характерных точек. Укажите фазы и структурные составляющие в различных областях диаграммы. Постройте кривую охлаждения для сплава с содержанием углерода 1,8 % из жидкого состояния до комнатной температуры. Опишите превращения, происходящие при охлаждении данного сплава.

В сплавах системы «железо - углерод» встречаются следующие фазы:

1. Жидкий раствор.

2. Твердые растворы на основе различных кристаллических модификаций железа.

3. Химическое соединение Fe3C (цементит).

4. Структурно-свободный углерод (графит).

Рис. 4 Диаграмма состояния «железо-углерод»:

1 – метастабильная; 2 – стабильная и кривая охлаждения сплава с содержанием углерода 1,8%

Жидкая фаза представляет собой неориентированный раствор Fe и С, распространяющийся выше линии ликвидус АВСД от 0 до 6,67% см.

ФЕРРИТОМ (Ф) называется твердый раствор углерода в α-железе. У него сохраняется решетка Fe_α (ОЦК). Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу – GPQ. Максимальная растворимость углерода в нем не более 0,02% (точка Р), при комнатной температуре она равна 0,006%. Твердость феррита 65-130 НВ, δ = 40%.

Раствор углерода в высокотемпературном δ-железе называется дельта ферритом. Область устойчивости дельта феррита AHN, концентрация углерода достигает 0,1% (точка Н).

АУСТЕНИТ (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе (с решеткой ГЦК). Однофазная область аустенита на диаграмме ограничена линией NJESG. Максимальная растворимость углерода в аустените составляет 2,14% (11470С, точка Е).

ЦЕМЕНТИТ (Ц) – химическое соединение железа с углеродом, соответствующее формуле Fe₃C с концентрацией углерода 6,67% (вертикальная линия

DFKL). Температура плавления цементита точно не определена, т.к. при нагревании он легко распадается на аустенит и графит.

Все остальные области диаграммы за исключением перечисленных, являются двухфазными. В двухфазных областях в равновесии находятся: в области АВН – жидкий раствор и кристаллы феррита; HJM – кристаллы феррита и аустенита; JBC – жидкий раствор и кристаллы аустенита; ESECFK – кристаллы аустенита и цементита; QPSKL – кристаллы феррита и цементита.

Горизонтальные линии на диаграмме отвечают равновесным трехфазным состояниям сплавов. В сплавах с концентрацией углерода от 0.1 до 0,51% при температуре 1499⁰С (линия HJB) происходит перитектическое превращение. В результате взаимодействия кристаллов феррита с окружающим жидким раствором образуется аустенит:

L_(B) + Ф_(H) A_(J).

Перитектическое превращение в сплавах, расположенных левее точки J (С = 0,1 – 0.16%), идет до исчезновения жидкой фазы, а в сплавах, расположенных правее точки J (С = 0,16 – 0,51%), - до исчезновения феррита.

При температуре 1147⁰С (линия ECF) в сплавах с концентрацией углерода от 2,14 до 6,67% происходит эвтектическое превращение:

L_(С) А_(Е) + Ц_(F)

В процессе превращения жидкий раствор затвердевает в виде механической смеси кристаллов аустенита и цементита, которая называется ледебуритом (Л).

Во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при температуре 727⁰С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, которая называется перлитом (П):

А_(S) Ф_(Р) + Ц_(К).

Причиной эвтектоидной реакции является полиморфное превращение Fe_γ в Fe_α и резкое уменьшение растворимости углерода с 0,8% в γ-фазе до 0,02% в α-фазе.

Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся из жидкой фазы, называется первичным (Ц_I), из аустенита – вторичным (Ц_II), а из феррита – третичным (Ц_III).

Железоуглеродистые сплавы при температурах, соответствующих перитектическому, эвтектическому или эвтектоидному превращению находятся в трехфазном равновесном состоянии. Согласно правилу фаз (С = К – Ф + I) равновесие является нонвариантным (С = 2 –3 +I = 0). Все эти превращения происходят при определенных температурах и характеризуются остановкой (горизонтальным участком) на кривой охлаждения сплавов. Во всех остальных областях диаграммы в равновесии находятся две фазы. Эти равновесия моновариантные (С = 2 – 2 + I = I), т.е. превращения в сплавах происходят в интервалах соответствующих температур.

Концентрация углерода в характерных точках диаграммы железо-цементит и линии трехфазного равновесия дана в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 – Концентрация углерода в характерных точках диаграммы.

Индекс линии	Температурный интервал, 0С	Интервал концентраций углерода, %	Основные свойства
А	1539	0,00	Точка затвердевания чистого железа
В	1499	0,51	Состав жидкой фазы при перитектическом равновесии с d-ферритом и аустенитом
С	1147	4,30	Состав жидкой фазы при эвтектическом равновесии с аустенитом и цементитом
H	1499	0,10	Предельное содержание углерода в d-феррите. Состав феррита при перитектическом равновесии с жидкостью В и аустенитом J
J	1499	0,16	Состав аустенита при перитектическом равновесии
Е	1147	2,14	Предельное содержание углерода в аустените. Состав аустенита при эвтектическом равновесии с жидкой фазой и цементитом
S	727	0,80	Состав аустенита при эвтектоидном равновесии с ферритом и цементитом
P	727	0,02	Предельное содержание углерода в феррите при эвтектоидном равновесии с аустенитом и цементитом
Q	Комнатная	0,006	Предельное содержание углерода в феррите при комнатной температуре

Таблица 2 – Линии трехфазного равновесия

Индекс линии	Температура равновесия	Фазы, находятся в равновесии	Название превращения	Взаимодействие фаз
HУB	1499	ЖВ + dH + AJ	Перитектическое	L_B + d_H = g_J
EСF	1147	Ж_С + А_Е + Ц_Р	Эвтектическое	L_C = g_Е + Fe f
E’С’F’	1153	Ж_С + А_Е +Гр	Эвтектическое	L_C =g_Е + C
PSK	727	А_S + Ф_Р + Ц_К	Эвтектоидное	g_S = a_P + Fe₃ C
P’S’K’	738	А_S + Ф_Р + Гр	Эвтектоидное	g_S’ = a_P’ + С

Построение кривой охлаждения сплава заданной концентрации с использованием диаграммы

Формирование фаз или структур в сплавах рассмотрим по диаграмме состояния.

Проследим за формированием структур сплава с содержанием углерода 1,8 % при медленном охлаждении с 1600⁰ С.

Сплав до температуры 1470⁰ С (т. 1) находится в жидком состоянии. Кристаллизация его начинается при 1470⁰ С с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита. По мере охлаждения сплава концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии (красной) от т. 1 к т. 2, а в жидкости – согласно линии ВС от т. 1 к т. 2, что можно записать следующим образом:

Ж_(1-2) ® А_(1-2)

Кристаллизация сплава заканчивается в точке 2 (1340⁰ С). В интервале температур 1340 – 975⁰ С (точки 2, 3). Сплав охлаждается, не претерпевая никаких изменений. При охлаждении сплава ниже 975⁰ С (точка 3) аустенит с концентрацией углерода 1,8 % становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и выделяется в виде цементита вторичного. Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 975 до 727⁰ изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S:

А_(8-S) ® Ц_II

При температуре 727⁰ С (точка 4) в сплаве происходит эвтектоидное превращение.

С понижением температуры сплава ниже 727⁰ С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного:

Ф_(р-Q)Ц_III

Однако выделяющийся цементит третичный в структуре стали металлографически не различается, т.к. сливается с цементитом эвтектоида. В структуре сплава с концентрацией углерода 1,8 % при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой цементита вторичного.

5. С помощью диаграммы состояния железо-карбид железа определите температуру полной и неполной закалки для стали 45 и дайте краткое описание микроструктуры и свойств стали после каждого вида термической обработки.

Марка стали 45

Классификация: Сталь конструкционная углеродистая качественная

Применение: 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

Химический состав в % стали 45

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0.42 - 0.5	0.17 - 0.37	0.5 - 0.8	до 0.25	до 0.04	до 0.035	до 0.25	до 0.25	до 0.08

Закалкой называется фиксация при комнатной температуре высокотемпературного состояния сплава. Основная цель закалки – получение высокой твердости, прочности и износостойкости. Для достижения этой цели стали нагревают до температур на 30 – 50^ОС выше линии GSK (рис. 5), выдерживают определенное время при этой температуре и затем быстро охлаждают.

Рис. 5 Диапазон оптимальных температур при различных видах термообработки

По температуре нагрева различают полную и неполную закалку. Полная закалка осуществляется из аустенитной области. После охлаждения с критической скоростью закалки у всех углеродистых сталей образуется структура мартенсита. Полной закалке подвергают изделия из доэвтектоидных сталей (сталь 45), при этом исключается образование мягких ферритных включений.

Рис. 6 Выбор оптимальных температур закалки для стали 45 (а) и проведения закалки (б)

Неполная закалка – закалка из промежуточных, двухфазных областей (А + Ф), (А+Ц_II), для стали 45 температура ниже 750⁰С. В результате охлаждения с критической скоростью в доэвтектоидных сталях образуется структура Ф + М, а в заэвтектоидных – М + Ц_II. Неполной закалке подвергают инструмент из заэвтектоидной стали, поскольку наличие включений вторичного цементита увеличивает твердость закаленного инструмента, т.к. цементит по твердости превосходит мартенсит.

Таким образом для стали 45 – полная закалка произойдет при температурах от 780 до 830 ⁰С.

а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению и структуре в равновесном состоянии;

в) опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Характеристика стали 65С2ВА.

Марка: 65С2ВА

Заменитель: 60С2А, 60С2ХА

Классификация: Сталь конструкционная рессорно-пружинная

Применение: ответственные и высоконагруженные пружины и рессоры.

Химический состав в % материала 65С2ВА

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	W	Cu
0.61 - 0.69	1.5 - 2	0.7 - 1	до 0.25	до 0.025	до 0.025	до 0.3	0.8 - 1.2	до 0.2

Сталь называется легированной, если в ее составе содержатся специально введенные элементы или повышенные количества постоянно присутствующих марганца или кремния.

Наиболее распространенными легирующими элементами являются: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, цирконий, ниобий, бор, медь, алюминий, азот, редкоземельные элементы. По названию содержащихся легирующих элементов стали называют: хромистыми, марганцовистыми, кремнистыми, хромоникелевыми, хромоникель-молибденовыми и т.д.

По содержанию легирующих элементов стали условно разделяют:

- на низколегированные, содержащие в сумме менее 5% всех легирующих элементов;

- среднелегированные, содержащие в сумме до 20% всех легирующих элементов;

- высоколегированные, содержащие в сумме более 20% всех легирующих элементов. В легированных сталях сумма легирующих элементов не может превышать 55%, т.к. при дальнейшем ее увеличении изменяется основа сплава.

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакции и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны так же, как и железо, взаимодействовать с углеродом, образуя карбиды, а так же взаимодействовать друг с другом или с железом, образуя промежуточные фазы – интерметаллиды.

В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом - область «открывается», т.е. в определенном интервале температур существуют твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура А3 при определенной концентрации легирующего элемента понижается ниже нуля. На рис. 4.1. показан участок диаграммы Fe – легирующий элемент с открытой - областью. В сплавах с концентрацией легирующего элемента, равной или превышающей точку b, ГЦК решетка устойчива при температуре 20-25⁰С; такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Feg, но и любые твердые растворы на основе Feg.

По отношению к углероду легирующие элементы разделяют на: не образующие карбиды, которые, в свою очередь, подразделяются на графитизирующие – кремний, алюминий, медь; и нейтральные – кобальт и никель карбидообразующие – марганец, хром, молибден, вольфрам, ниобий, ванадий, цирконий и титан (элементы перечислены в порядке возрастания их карбидообразующей способности).

Рис 7 Схема состояния железо- легирующий элемент группы никеля

При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом количестве (десятые доли; для несильных карбидообразователей - 1-2%) образование карбида этого элемента чаще не происходит. В этом случае атомы легирующего элемента частично замещают атомы железа в решетке цементита; образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.

Легирующие элементы существенно влияют на концентрацию углерода в эвтектоиде (перлите) и максимальную растворимость углерода в аустените (точки S и Е диаграммы). Такие элементы, как никель, кобальт, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, сдвигают точки S и Е влево, т.е. в сторону меньших концентраций углерода. Очевидно, что в присутствии этих легирующих элементов ледебурит в структуре сплава появится при меньших концентрациях углерода, чем в нелегированных железоуглеродистых сплавах. Например, в стали с 10-11% Cr ледебурит появляется в структуре при содержании углерода около 1%. В связи с этим легированные стали, содержащие ледебурит, классифицируют как ледебуритные.

Рассмотрим, какой будет структура различных легированных сталей в равновесном состоянии с учетом указанных закономерностей.

Пример 1. Сталь 65С2ВА содержит небольшое количество (около 1% карбидообразующего элемента марганца – и не образующий карбидов кремний). Часть марганца израсходуется на легирование цементита, а остальная часть этого элемента и кремний пойдут на легирование феррита. В связи с изменением состава феррита и цементита изменяется состав эвтектоида в сторону меньших концентраций углерода, следовательно, в структуре стали 65С2ВА количество перлита увеличивается по сравнению со сталью 65.

Сталь 65С2ВА относится к перлитному классу.

Для изготовления пружин, упрочняемых термической обработкой (закалкой и отпуском), применяют углеродистые (65, 75) и легированные (60С2А, 50ХФА, 60С2Н2А и др.) стали, для рессор — только легированные стали, для пружин, работающих в агрессивных средах,— нержавеющие стали 30X13, 40X13, 12Х18Н10Т и др.

Стали 65С2ВА (60С2ХФА, и 60С2Н2А) используют для крупных пружин ответственного назначения. Детали из этих сталей малосклонны к росту зерна и прокаливаются в сечениях до 50 мм. Особенно высокими качествами обладает никелькремнистая сталь 60С2Н2А, легко отжигающаяся на структуру зернистого перлита, имеющая высокую пластичность.

Диаграмма Fe-C, Металоведение 📙 Контрольная → 🆔 27147