Теоретические вопросы, расшифровка марок сталей и сплавов, диаграмма железо-цементит

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. Задание 1. ………………………………………………………………….	3
2. Задание 2. ………………………………………………………………….	6
3. Задание 3. ………………………………………………………………….	9
4. Задание 4. ………………………………………………………………….	12
5. Задание 5. ………………………………………………………………….	15
6. Задание 6. ………………………………………………………………….	17
7. Литература ……………………………………………………………	19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 1. Дайте определение микроструктуре металлов и микрошлифу. Опишите процесс приготовления микрошлифа.

 

Визуальное изучение строения поверхности объектов без специальных увеличительных средств называют макроанализом, а наблюдаемую при этом структуру – макроструктурой.

Микроструктурным (металлографическим) анализом называют метод исследования поверхности металлов и сплавов  с помощью оптических (металлографических) микроскопов, позволяющих наблюдать объекты при увеличении до 2000 раз. Структура поверхности металлических объектов выявляемая при этом называется микроструктурой.

С помощью микроструктурного  анализа, или просто микроанализа, изучают  следующие параметры микроструктуры: форму, размер и строение зерен; фазовый состав сплавов; глубину покрытий; распределение неметаллических включений и т.д.

Микроструктурный метод  весьма информативен, надежен и прост, поэтому широко распространен в  практике, как технического контроля качества металлических изделий, так и исследований металловедческого характера.

Изображение микроструктуры получают в отраженном свете, который  несет информацию о поверхностном  микрорельефе исследуемой поверхности  объекта. Неровности на поверхности образца (например, следы механической обработки – микроцарапины) рассеивают падающий свет и при наблюдении в микроскоп выглядят темными. На рис.1 показана схема формирования изображения полированной поверхности образца (а) и поверхности с микроцарапинами (б).

В практике классического  микроанализа чаще исследуются специально подготовленные образцы, называемые металлографическим шлифом (микрошлифом), а также изломы.

В тех случаях, когда  требуется определить абсолютный размер зерна, структурной составляющей (однородный участок сплава) и др., используют окуляры с вкладышами, на которых нанесена шкала (окулярная линейка), и объект – микрометр, представляющий собой пластинку со стеклянной вставкой, на которой нанесена шкала. Объект – микрометр устанавливают на предметный столик микроскопа и совмещением шкал объект – микрометра и окулярной линейки определяют цену деления шкалы последней. Далее совмещением шкалы окулярной линейки и интересующего участка определяют его размер.

 

3

     Рис. 1. Схема формирования изображения в оптическом микроскопе

 

Микрошлиф – небольшой  образец (часть исследуемого объекта, детали), имеющий подготовленную для изучения микроструктуры поверхность. Место вырезки образца определяется целью исследования.

Выбранную поверхность  образца шлифуют на наждачном круге или вручную на наждачной бумаге (шкурке). В последнем случае шкурку располагают на стекле или ровной плите, а образец перемещают возвратно-поступательно с легким прижатием. Направление шлифования на перпендикулярное меняют при переходе на более мелкую шкурку (например, с №120 на №240), добиваясь при этом полного устранения рисок от предыдущего шлифования.

Для полного устранения рисок поверхность образца обрабатывают на полировальном станке, вращающийся  в горизонтальной плоскости диск которого обтянут специальным материалом (тонкое сукно, фетр). Круг при полировке периодически поливают водой с абразивным веществом (чаще всего – окись хрома). Полирование считается законченным, когда поверхность образца приобретает зеркальный блеск и на ней даже под микроскопом не видно рисок и царапин.

Приготовление микрошлифов  образцов малых размеров производится в оправках, в которые заливают образцы серой, акром или легкоплавким сплавом, или струбцинах.

Для создания поверхностного микрорельефа, отражающего внутреннее строение объекта исследования, поверхность образца подвергают химическому травлению. При этом режимы травления подбирают     таким    образом,     чтобы    получить   наиболее     развитый микрорельеф. Наиболее часто в качестве химического реактива при травлении микрошлифов углеродистых сталей используют 4%-ный раствор пикриновой или азотной кислоты в этиловом спирте.

При травлении микрообъемы  металла непосредственно вблизи границ зерен растворяются реактивом  в значительно большей степени, чем тело зерна. Поэтому на месте границ зерен формируются канавки, рассеивающие падающий свет и, следовательно, выглядящими при наблюдении в микроскоп темными (рис. 2).

 

Рис. 2. Схематическое увеличенное  изображение

поверхности неполированного образца (а)и микрошлифа после травления (б);

MN – плоскость шлифа

 

Сплавы могут быть однофазными – все зерна имеют одинаковое кристаллическое строение и одинаковый химический состав. Двухфазные сплавы состоят из двух типов зерен (структурных составляющих), каждый из которых имеет индивидуальную кристаллическую решетку, характерный для него химический состав, различную химическую травимость. При анализе микрощлифа можно не только установить тип сплава (см. рис. 3), но и дать характеристику микроструктуры (например, зернистая или оболочковая и др.).               

             

    Рис. 3. Разновидности объемного  строения сплавов:  а – однофазная;  б, в – двухфазная; а, б –  зернистая; в – оболочковая

 

 

 

 

 

 

 

Задание 2. Начертите схему установки и эскиз образца для испытания на ударную вязкость.

 

Рис.1. Схема маятникового копра 

 

Испытание на ударную  вязкость проводится на маятниковом  копре ХР-05, схема которого показана на рис. 1.  Копер состоит из массивного основания 1 с двумя вертикальными стойками 2. К верхней части этих стоек на горизонтальной оси подвешен  маятник 3, представляющий собой плоский стальной диск с вырезом. Кроме того, на оси маятника установлена стрелка 4, напротив которой к стойке 2 прикреплена шкала 5 для отсчета затрат энергии на разрушение  образца. Для фиксации маятника  в  исходном  верхнем  положении предусмотрена защелка  6.

На стойках 2 предусмотрены  опоры 7 для установки образцов 8 из испытуемого материала. Расстояние между опорами 7 регулируется в пределах от 40 до 70 мм (см. рис.3, а). Для образцов толщиной 5 мм и  менее, расстояние между опорами 7 принимают   мм, а для образцов толщиной более 5 мм –   мм.

При проведении  испытаний   маятник 3 поднимают  вверх и фиксируют защелкой 6. Стрелку 4 устанавливают на нуль, а на опоры 7 помещают испытуемый образец 8. Затем, повернув защелку 6, отпускают маятник 3, который при своем падении разрушит образец и двигаясь далее, переместит стрелку 4 по шкале 5, на   которой считывают величину энергии, сохраненной маятником после разрушения образца. Образец устанавливают на нижних опорах копра симметрично относительно опор и так, чтобы надрез был обращен в сторону, противоположную направлению удара.

 

 

 

Образцы для испытаний  на ударную вязкость изготавливают  механической обработкой из листов, плит или стержней; а также прессованием; или литьем под давлением. При испытании листовых и слоистых материалов толщиной менее 10 мм ширину поперечного сечения образцов принимают равной толщине этих листов.  На  образцах  следует  указать направление, соответствующее длине листа или плиты, из которых изготовлены эти образцы, так как механические свойства пластмасс в различных направлениях неодинаковы.

Образцы, изготовленные  литьем под давлением, в соответствии с ГОСТ 4647 – 84 имеют размеры поперечного сечения ( ) х ( ) мм и длину -   мм.

Поверхность образцов должна быть гладкой, ровной, без трещин, сколов, вздутий и раковин.

Форма  надреза стандартных образцов может быть в виде U, V, T.

Согласно ГОСТ 9454-78 в  качестве основного используется образец с U-образным надрезом, но в отдельных случаях применяются также образцы и с другой формой надрезов. V-образный выполняется с углом при вершине 45⁰ и радиусом закругления 0,25 мм, а роль T-образного надреза играет созданная на специальном приборе усталостная трещина. В соответствии с этим при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза – KCU, KCV, KCT. 

Параметром KCV оценивается  пригодность материалов для сосудов  давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности. Параметр KCT характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Он учитывается при выборе металлов и сплавов для конструкций особо  ответственного назначения (летательные аппараты, роторы турбин и т. п.)

а)                                                                         б)

Рис. 2. Схема установки образцов: а) образцы из пластмасс; б) образцы из металлов

 

 

 

 

Задача: При испытании на маятником копре стандартного стального образца сечением 10х8 мм² ударная вязкость составила КС = 73 Дж/см², а остаток неиспользованной работы после удара был равен К₁ = 26 Дж. Определить работу удара К на излом образца и запас работы маятникового копра К₀ до удара.

Решение:

Ударная вязкость КС, работа удара  К и площадь поперечного сечения  образца S₀ связаны соотношением:

КС = К / S₀, откуда работа удара:

К = КС * S₀.

Площадь поперечного сечения образца:

S₀ = 10*8 = 80 мм² = 0,8 см².  

Тогда К = 73 * 0,8 = 58,4 Дж.

Запас работы маятникового копра определяется по формуле:

К₀ = К₁ + К = 26 + 58,4 = 84,4 Дж.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 3. Начертите в масштабе упрощенную диаграмму состояния сплавов железо-цементит и укажите на ней структуры и фазы по всем ее зонам и критические точки А₁, А₃, А_сm. Для сплава с содержанием углерода 3,0% определите критические точки и опишите превращения, происходящие в сплаве при охлаждении. Дайте определения всем структурам и фазам, образующимся по ходу охлаждения сплава.

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод  начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии  ликвидус), и заканчивается при  температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии  АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE. 
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3-> Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов  ниже 1147°С будет: доэвтектических —  аустенит+ледебурит, эвтектических  — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом  состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при  охлаждении Υ-железа в α-железо и  распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита  вследствие уменьшения растворимости  углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и  концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь  состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 -> П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости  углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который  называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными  и имеют структуру чистого  феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали  при температуре ниже 727°С имеют  структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в  виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727°С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращается в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических  чугунов при температурах ниже 727°С состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727°С состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

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 3,0% С, называется доэвтетическим чугуном. Его структура при комнатной температуре                перлит + цементит (вторичный) + ледебурит (перлит + цементит).

На оси содержания углерода находим значение 3,0% и проводим в этой точке перпендикуляр (рис. 1).

Это перпендикуляр последовательно  пересекает:

- от температуры 1600⁰С до 1300⁰С идет фаза жидкость.

- от температуры 1300⁰С до 1147⁰С идет фаза жидкая фаза + аустенит;

- от температуры 1147⁰С до 727⁰С идет фаза аустенит + цементит + ледебурит (аустенит+цементит);

- от температуры 727⁰С и далее идет область, содержащая перлит + цементит (вторичный) + ледебурит (перлит + цементит).

 

                                                        

а)                                                                                 б)

Рисунок 1: а-диаграмма железо-цементит,

б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,0 % углерода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 4. Для детали из углеродистой стали  45 диаметром 50 мм укажите назначение и определите температуры нагрева, время нагрева, скорость охлаждении и охлаждающие среды для: отжига, нормализации; закалки, отпуска.

Сталь 45 применяется для изготовления : 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 стали 45

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0.17-0.37
Марганец (Mn)	0.50-0.80
Медь (Cu), не более	0.25
Мышьяк (As), не более	0.08
Никель (Ni), не более	0.25
Сера (S), не более	0.04
Углерод (C)	0.42-0.50
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr), не более	0.25

 

Температура закалки

Содержание углерода в стали 45 составляет 0,45%. По рис.1 найдём необходимую температуру закалки  стали с таким содержанием  углерода. Проведём вертикальную линию  до пересечения с линией закалки, и получим температуру закалки 850^оС.

Охлаждающая среда

Стали с содержанием  углерода от 0,3 до 0,6% обычно охлаждают  в воде. Детали со сложной конфигурацией, с резкими переходами от малого сечения  к большому и массивные детали охлаждать в воде опасно, так как на них могут появиться трещины.

В этом случае применять  следующий режим охлаждения. На несколько  секунд погрузить деталь в воду, а затем быстро перенести ее в  масло. Ориентировочное время охлаждения в воде до переноса в масло составляет 1... 1,5 с на каждые 5...6 мм сечения детали. Такой способ охлаждения получил название «через воду в масло» или прерывистой закалки.

При этом сталь 45 закаливаются на глубину 4...5 мм, а глубже будут  частично закаленная зона и незакаленная сердцевина.

 

 

 

 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Диаграмма состояния железо - углерод для определения температуры  нагрева сталей при термической  обработке. 

Отпуск

Целесообразно будет применить высокий отпуск до температуры 450...650°С, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе. При таком отпуске почти полностью ликвидируются закалочные напряжения, увеличивается пластичность и вязкость, хотя заметно уменьшается твердость и прочность стали.

По справочным данным найдём микроструктуру и свойства стали 45 после высокого отпуска:

Предел прочности: σ_в = 680-770 кгс/мм2

Удлинение: δ = 14-16 %

Относительное сужение  образцов при разрыве Ψ = 52-58 %. Параметр Ψ наиболее полно отражает запас  пластичности стали.

Ударная вязкость: ан (КСU) =600-900 Дж/м2

После закалки в воде углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали эта структура в изделиях диаметром более 20.25мм образуется только в сравнительно тонком поверхностном слое толщиной до 2.4 мм. Последующий отпуск вызывает превращение мартенсита в сорбит только в тонком поверхностном слое, но не влияет на структуру и свойства основной массы изделия. Сталь со структурой сорбита отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем та же сталь со структурой сорбита закалки или имеющая феррито-перлитную структуру.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 5 Расшифруйте марки и укажите  назначение материалов.

 

Сталь 30 – углеродистая качественная конструкционная сталь со средней массовой долей углерода 0,30 %, степень раскисления - спокойная сталь.

 

Ст1 – сталь конструкционная  углеродистая обычного качества, нелегированная, группа поставки А – по механическим свойствам, условный № марки 1, степень раскисления - без степени раскисления.

 

Сталь 60С2Н2А – рессорно-пружинная высококачественная сталь со средней массовой долей углерода 0,60 %, кремния – 2%, никеля – 2%.

 

СЧ10 – отливка из серого чугуна с минимальным значением  временного сопротивления при растяжении 100 МПа.

 

Сталь У12 – углеродистая инструментальная нелегированная высококачественная сталь со средней массовой долей углерода 1,2%.

 

ТТ20К9 – спеченый твердый  сплав титано-тантало-вольфрамовой группы со средней массовой долей  карбидов титана и тантала 20%, кобальта – 9%, остальное (71%) – карбид вольфрама.

 

АК4 – сплав алюминиевый  ковочный, условный номер сплава  - 4.

 

АК12М2 – алюминиевый  сплав со средней массовой долей  кремния 12%, меди – 2%, остальное (86%) –  алюминий.

 

Л85 – латунь простая  со средней массовой долей меди – 85%, остальное         (15%) – цинк.

 

БрБ2 – бронза безоловянная со средней массовой долей бериллия 2%, остальное (98%) – средняя массовая доля меди.

 

ВТ15 – высокопрочный  титановый сплав, обрабатываемый давлением, условный номер – 15.

 

Б16 – оловянный баббит со средней массовой долей олова 16%.

 

Гетинакс – в данном случае маркировка отсутствует, поэтому вкратце про материал:

Относится к слоистым электроизоляционным пластмассам, которые представляют собой слоистые пластмассы, в которых в качестве связывающего вещества применяются бакелитовые (резольные) или кремнийорганические смолы, переведенные в неплавкое и нерастворимое состояние. В качестве наполнителей - , например, гетинакс.

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой в стадии А или другими смолами этого же типа. Для производства используется прочная и нагревостойкая пропиточная бумага. Пропитку производят с помощью водной суспензии формальдегидной смолы. Листы бакелизированной бумаги после их сушки собирают в пакеты и эти пакеты прессуют на гидравлических прессах при температуре 160°С под давлением 10—12 МПа. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает, переходя в неплавкую стадию резита. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал. Гетинакс относится к числу сильнополярных диэлектриков, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладают полярными свойствами.

Гетинакс используется для изготовления различного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований. Бывает следующих марок: А, Б, В, Г, Д, В_с – для работы при частоте 50 гц и А_В, Б_В, В_В, Г_В, Д_В – для работы на высокой частоте. Гетинакс марок А и Б – обладает повышенной электрической прочностью, Г – повышенной стойкостью к влаге, В – повышенной механической прочностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 6 Выберите марку сплава (материала) для:

 

- распределительного вала, изготовляемого литьем. Условия работы распределительного вала достаточно сложные. Он обязан выдерживать перепады работы двигателя при самых разных оборотах коленчатого вала, при плюс 1000°С в цилиндрах и минус 50°С на улице, часами, а порой и сутками, непрерывно, почти без отдыха. При этом вал должен не только заставлять двигаться связанные с ним клапаны, но и беречь их от перегрузок. Поэтому для изготовления распределительного вала  выбираем в качестве материала Серый  чугун (ГОСТ 1412), который легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

 

- особоответственных толстых пружин, работающих при динамических нагрузках. В пружинах, как в упругих элементах, используются только упругие свойства стали. Возникновение пластической деформации в них недопустимо, поэтому высоких требований к пластичности и вязкости не предъявляется. Основное требование к пружинной стали - высокий предел упругости. Кроме того, многие пружины и рессоры подвергаются воздействию циклических нагрузок. Поэтому от пружинных сталей также требуется высокий предел выносливости. Хорошие упругие свойства стали достигаются при повышенном содержании углерода (0,5-0,7 %) и применении термообработки, состоящей из закалки и среднего отпуска при температуре 350-450°С. После такой термообработки сталь имеет троститную структуру. Пружинные стали должны иметь хорошую закаливаемость и прокаливаемость. Мартенситная структура после закалки должна быть по всему сечению. Наличие немартенситных продуктов превращения аустенита после закалки снижает упругие свойства стали. В нашем случае для особо ответственных крупных пружин, работающих в условиях значительных динамических нагрузок, применяем улеродистую пружинную сталь, содержащую никель 60С2Н2А.

- заливки подшипников скольжения для закаленного вала. Условия работы деталей - ударные и постоянные нагрузки при высоких скоростях скольжения. В качестве материала необходимо выбрать антифрикционный сплав БК2 по ГОСТ 1320-74 – баббитовые вкладыши.

 

 

 

 

 

 

- режущего элемента на резец для чистовой обработки отбеленного чугуна. При чистовом точении резцы снимают стружку небольших сечений, но работают (сравнительно с черновым точением) при высоких скоростях резания и не должны при этом терять своей твердости. Кроме того, материалы чистовых резцов должны быть такими, чтобы их режущая кромка хорошо сопротивлялась износу от истирания. В соответствии с этими требованиями для чистовых резцов при обработке стальных и чугунных деталей применяются в качестве режущих материалов быстрорежущая сталь, выбираем ВК6ОМ.