Контрольная работа по "Металлургии". 10

1. Вычертите  диаграмму состояния железо –  цементит, укажите структурные составляющие  во всех областях диаграммы,  постройте кривую охлаждения (с  применением правила фаз) для  сплава, содержащего 0,8 % углерода

Какова структура  этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?  

Диаграмма состояния  железо – цементит

  а) а - диаграмма железо-цементит б)  б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,8% углерода

Сплав железа с  углеродом, содержащий 0,8%С, называется эвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре перлит.

Перлит —  это механическая смесь феррита  с цементитом. Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Перлит является эвтектоидом. Эвтектоид— это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).

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

1. Расшифруйте марку стали 40 определите группу по назначению, назовите изготавливаемые из этой стали детали.

Углеродистая  качественная сталь с содержанием  углерода 0,40 %

Химический  состав

Назначение

После улучшения - коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, маховики, зубчатые колеса, болты, оси и другие детали; после поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ - детали средних размеров, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации (длинные валы, ходовые валики, зубчатые колеса).

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

Полный отжиг

Неполный отжиг  

В зависимости  от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке сталь нагревают выше точки А₃. Полная закалка применяется для доэвтектоидной стали. В этом случае при нагреве выше точки А₃сталь имеет полностью аустенитную структуру и после резкого охлаждения имеет полностью мартенситную структуру. При неполной закалке полного превращения не будет, и оставшийся в структуре феррит не даст получить высокой твердости и прочности. Поэтому в доэвтектоидной стали неполную закалку не применяют.

Полная закалка 830-850 ⁰С

Нормализация

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

Отжиг — термическая  обработка, при которой сталь  нагревается выше Ас3(или только выше Ас1 — неполный отжиг) с последующим, медленным охлаждением. Нагрев выше Ас3 обеспечивает полную перекристаллизацию стали. Медленное охлаждение при отжиге. Обязательно должно привести к распаду аустенита и превращению его в перлитные структуры. Нормализация есть разновидность отжига, при нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе, что создает несколько более быстрое охлаждение, чем при обычном отжиге. И в случае нормализации превращение должно произойти в верхнем районе температур с образованием перлита, но при несколько большем переохлаждении, что определяет некоторое различие свойств отожженной и нормализованной стали.

Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки, цель которых  — либо устранить Некоторые дефекты  предыдущих операций горячей обработки (литья, ковки и т. д.), либо подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием, закалке). Однако довольно часто отжиг, и особенно нормализация, являются окончательной термической обработкой. Это бывает тогда, когда после отжига или нормализации получаются удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали свойства и не требуется их дальнейшее улучшение с помощью закалки и отпуска.

Основные цели отжига: перекристаллизация стали и  устранение внутренних напряжений или  исправление структуры.

Закалка

Для того, чтобы  обеспечить закалку сталей на мартенсит  необходимо быстро охлаждать её в  области перлитного превращения. Но если с такой же скоростью охлаждать  её и дальше в области мартенситного  превращения, то в детали возникают резкие закалочные напряжения. Поэтому желательно проводить охлаждение в области мартенситного превращения по возможности медленнее, но среды с переменной скоростью охлаждения не существует и поэтому для разных деталей применяют различные способы охлаждения, чтобы получить закаленное состояние с минимум уровнем внутренних напряжений.

1. Охлаждение  в одном охладителе (воде, масле). Недостаток - очень резкие внутренние  напряжения. Чтобы их уменьшить  применяют второй способ закалки.

2. Закалка в  двух средах (из воды в масло). По этому способу в начале деталь охлаждают в воде, до температуры ниже перлитного превращения, а затем перебрасывают до окончательного охлаждения в масло. Этот способ сложен и требует высокой квалификации рабочих, от которых требуется выдерживать деталь определенное количество времени в воде. Если выдержка будет мала, то при дальнейшем охлаждении попадаем в перлитное превращение, и закалки не будет, а если выдержка слишком большая, то в деталях возникают большие внутренние напряжения.

3. Ступенчатая закалка. При ступенчатой закалке нагретую деталь охлаждают быстро до заданной температуре в специально горячей среде, в качестве которой используются расплавы металлов или солей. Время выдержки в горячей среде определяются маркой стали и может быть четко определено по секундомеру, после этого идет окончание охлаждение в воде или масле. Выдержка в горячей среде позволяет выровнять температуру по всему сечению деталей, поэтому при окончательном охлаждении в воде, или масле превращение аустенита в мартенсит идет одновременно по всему объему детали, что позволяет резко снизить уровень внутренних напряжений. Такой способ закалки применяют для крупногабаритных деталей сложной формы, чтобы до минимума снизить искажение формы.

4. Изотермическая  закалка. Этот способ применяется для крупногабаритных деталей, которые нельзя охлаждать очень быстро, из-за опасности разрушения. При изотермической закалке нагретые детали помещают в горячую среду, нагретую до заданной температурой 350-400 градусов, в которой выдерживают до полного прохождения превращения аустенита в троостит или бейнит. После полного превращения деталь обычно охлаждается на воздухе. Дополнительного отпуска после такой закалке не требуется. Температура окружающей среды выбирается термообработкой, чтобы получить в детали структуру, обеспечивающую заданную твердость.

5. Закалка с  обработкой холодом. При закалке  высокоуглеродистых сталей, содержащих  никель, молибден, вольфрам даже  после полного охлаждения до  нормальной температуры превращение  аустенита в мартенсит проходит не полностью. Остаточный аустенит имеет невысокую твердость и поэтому твердость детали после закалки будет недостаточной. Для устранения остаточного аустенита закаленные детали дополнительно охлаждают в области отрицательных температур 70-80 градусов, парами углекислоты или жидкого азота. Дополнительное охлаждение вызывает переход остаточного аустенита в мартенсит и твердость закаленной стали повышается.

6. Закалка с  самоотпуском. Этот способ закалки  применятся для деталей, которые  должны иметь различную твердость в различных местах. Чтобы получить переменную твердость, нагретую деталь помещают в охлажденную среду только рабочей поверхностью, оставляя хвостовик над поверхностью охлаждающей среды. После полного охлаждения поверхности деталь извлекают из охлаждающей среды и за счет тепла, сохранившегося в хвостовой части, происходит разогрев рабочей поверхности и ее отпуск. Температуру разогрева поверхности контролируют по цветам побежалости.

Отпуск стали

Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке – отпуску.

Различают 3 вида отпуска по температуре: низкий, средний  и высокий.

Низкий отпуск 150-220 градусов

Средний отпуск 350-450 градусов

Высокий отпуск 550-650 градусов

Низкий отпуск применяется для деталей, которые должны иметь высокую твердость и прочность. При низком отпуске мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска. Мартенсит отпуска отличается от мартенсита закалки отсутствием внутренних напряжений за счет выделения из него избытка углеводорода в виде мельчайших карбидов. Твердость мартенсита отпуска такая же или немного больше, чем у мартенсита закалки (58 – 62 HRC).

Средний отпуск проводится для деталей, в которых  требуется максимальный предел упругости. При температурахсреднего отпуска происходит распад остаточного аустенита в мартенсит, и затем переход мартенсита в троостит. Троостит представляет собой игольчатую структуру феррита, вдоль игл которого расположены выделившиеся из твердого раствора мелкие карбиды. Такая структура обладает малым запасом вязкости, но зато высоким пределом упругости. Поэтому такой вид отпуска применяют для изготовления упругих деталей машин. Твердость 40 – 45НRС и очень маленькая ударная вязкость.

Высокий отпуск применяется для деталей, в которых необходимо сочетание высокой ударной вязкости и достаточной прочности – это детали машин, работающие с ударными и знакопеременными нагрузками. При этом образуется сорбит. Сорбит представляет собой зёрна феррита с огромным количеством точечных и округлых выделений карбидов, равномерно распределенных по объему стали. Твердость 20 –25 НRС.

Сочетание полной закалки и высокого отпуска называется термическим улучшением стали. Такой  термообработке обычно подвергают стали  содержащие 0,3 = 0,6 %С. Поэтому такие стали часто называют улучшаемыми.

Выбор того или  иного вида отпуска зависит от назначения детали. Если деталь должна обладать максимальной твердостью и  износостойкостью, то соответственно твердость поверхности должна быть максимальной и для такой детали всегда применяют закалку с низким отпуском. Если же на первое место по техническим условиям выходит максимальная вязкость, то применяют закалку с высоким отпуском. Средний отпуск в большинстве случаев используют при изготовлении пружины. В некоторых случаях при быстром охлаждении деталей после горячей деформации возникает эффект увеличения твердости за счет получения неравновесных структур типа троостит или бейнит. Такая сталь с трудом поддается обработке резанием, поэтому для снижения твердости её подвергают высокому отпуску при температуре 600-700º С с медленным охлаждением. Чаще всего это высокоуглеродистая сталь или сталь, содержащая легирующие элементы.

Поэтому для  получения необходимых эксплуатационных свойств необходимо проводить  полную закалку, нормализацию и полный и неполный отжиг.

Полный отжиг

Производится  с нагревом стали до температуры, превышающей точку А₃ с последующим медленным охлаждением вместе с речью. Медленное охлаждение вызывает полное равновесное превращение А®Ф + П. В результате получается максимально возможная пластичность, минимальная твердость и прочность и полное снятие внутренних напряжений. Если внутренние направления не имеют значения то после охлаждения с печью до 500⁰, дальнейшее охлаждение можно вести на воздухе. Полный отжиг применяют для устранения дефектов структуры, вызванных литьем, холодной деформацией, сваркой.

Основной недостаток полного отжига – это его большая  продолжительность, возможная неравномерность  зеренного строения в центре и  на поверхности крупногабаритных изделий, вызванная неодинаковой скоростью охлаждения.

4) Какой вид  термообработки и почему рационально  применять для заданной стали

Для доэвтектоидной стали в основном применяют полный отжиг. При таком отжиге происходит полная смена структуры стали, что позволяет устранить все дефекты, вызванные холодной деформацией, сваркой, резкой и так далее.

Полный отжиг

Производится  с нагревом стали до температуры, превышающей точку А₃ с последующим медленным охлаждением вместе с речью. Медленное охлаждение вызывает полное равновесное превращение А®Ф + П. В результате получается максимально возможная пластичность, минимальная твердость и прочность и полное снятие внутренних напряжений. Если внутренние направления не имеют значения то после охлаждения с печью до 500⁰, дальнейшее охлаждение можно вести на воздухе. Полный отжиг применяют для устранения дефектов структуры, вызванных литьем, холодной деформацией, сваркой.

3. Для  некоторых деталей выбрана легированная  сталь марки 12ХН3А

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

Химический состав в % материала 12ХН3А. ГОСТ 4543-71

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

Цементация 900 °С,

 закалка 800 °С  (масло),

отпуск 170 °С

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая  обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в науглероживающей среде (карбюризаторе). Окончательные свойства цементированных изделий приобретают после закалки и низкого отпуска. Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины.

Цементация широко применяется  для упрочнения среднеразмерных  зубчатых колес, валов коробки передач  автомобилей, отдельных деталей рулевого управления, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на грубое и окончательное шлифование 0,05-0,010 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, покрывают тонким слоем малопористой меди (0,02-0,04 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле. Для обеспечения стабильности и качества рекомендуют детали перед цементацией подвергнуть промывке в 3 - 5% содовом растворе.

Для цементируемых изделий  применяют низкоуглеродистые (0,1-0,25% С) стали. После цементации, закалки и низкого отпуска этих сталей цементированный слой должен иметь твердость HRС 58-62, а сердцевина HRC 20-40. Сердцевина цементируемых сталей должна иметь высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.

Для деталей  ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые (такие как: 12ХН3А, 20ХН3А ) и более сложнолегированные стали.

Одновременное легирование хромом и никелем  повышает прочность, пластичность и  вязкость сердцевины. Никель, кроме, того, повышает прочность и вязкость цементированного слоя.

Хромоникелевые  стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.

Механические свойства стали 12XH3А в зависимости от температуры отпуска

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

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов  используют для улучшения их технологических  свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

По применимости для легирования  можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных  элементов определяется не столько  физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

·    Mn,Si,Cr,B;

·    Ni,Mo;

·    V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Легирующие  элементы по механизму их воздействия  на свойства сталей и сплавов можно  разделить на три группы:

·    влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;

·    образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)₇С₃; (Сг,Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;

·    образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом - Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

В следующей  таблице показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов  на свойства стали.

 
 
По характеру влияние  на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две  группы:

·           элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);

·           элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно  влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.

Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен  феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает  вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.

Легированный  аустенит парамагнитен, обладает большим  коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе  азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре  достигает 1%, повышают его прочность  при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.

Легированный  аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных  и немагнитных сплавов. Он легко  наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.

Легирующие  элементы (исключение кобальт), повышая  устойчивость аустенита, снижают критическую  скорость закалки и увеличивают  прокаливаемость. Для многих аустенитных  сплавов критическая скорость закалки  снижается до 20°С/с и ниже, что  имеет большое практическое значение.

Карбидообразующие элементы: Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti (за исключением  марганца) препятствуют росту зерна  аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более  высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.

Интерметаллиды  образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими  элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

4. Для  изготовления деталей машин и  приборов выбран сплав цветного  металла В95

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

Химический  состав в % материала В95

Примечание: Al - основа; процентное содержание Al дано приблизительно

Группа – Алюминиевый сплав – цинковая группа

Сплавы применяют  для высоконагруженных конструкций, работающих в основном в условиях напряжений сжатия (детали обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов  и другие детали).

2) Опишите влияние  легирующих элементов.

Достоинства легированных сталей:

1. особенности  обнаруживаются в термически  обработанном состоянии, поэтому  изготовляются детали, подвергаемые  термической обработке;

2. улучшенные  легированные стали обнаруживают  более высокие показатели сопротивления  пластическим деформациям;

3. легирующие  элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных  сталей выше;

4. возможно использование  более «мягких» охладителей (снижается  брак по закалочным трещинам  и короблению), так как тормозится  распад аустенита;

5. повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

Недостатки:

1. подвержены  обратимой отпускной хрупкости  II рода;

2. в высоколегированных  сталях после закалки остается  аустенит остаточный, который снижает  твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;

3. склонны к  дендритной ликвации, так как  скорость диффузии легирующих  элементов в железе мала. Дендриты  обедняются, а границы – междендритный  материал – обогащаются легирующим элементом. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.

4. склонны к  образованию флокенов. 

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

Представителями высокопрочных алюминиевых сплавов  являются В95,

В96, ВАД23. Предел прочности высокопрочного сплава В95 – 600 МПа (для