Материаловедение. 5

                                                Содержание работы 
 

1.Анализ  диаграммы Fe-C (Fe-Fe₃C). 

1.1. Вычертить  диаграмму и дать её описание.

1.2. Указать  структурные составляющие и фазы  во всех областях диаграммы  и дать их определение с указанием твёрдости.

1.3. Описать  превращения и построить кривую  охлаждения в интервале температур  от 1600 до 600 ˚С (с применением правила фаз) для сплава с содержанием углерода С=5,5%.

1.4. Выбрать  для заданного сплава любую  температуру между линиями ликвидус и солидус и определить:

     а) содержание углерода в фазах,

     б) количественное соотношение  фаз, в %.

1.5. Изобразить  микроструктуру заданного сплава  при комнатной температуре.

1.6. По  микроструктуре описать примерные  механические свойства. 
 

   2. Для  рессоры  с толщиной листа  16 мм и твёрдостью 530 HB  выбрать материал и назначить - метод получения (литьём, ковкой, штамповкой, резаньем, сваркой), предварительную термическую обработку (ТО) и основную термическую обработку (ТО).

2.1. Расшифровать  выбранную марку сплава. Указать  к какой группе       относиться данная марка сплава  по назначению.

2.2.После  выбора метода получения изделия  назначить режим предварительной  ТО с указанием температуры  нагрева, охладителя, структуры и  примерных механических свойств.

2.3. Расписать  режим и дать обоснование основной  технологии ТО и ХТО.

2.4. Объяснить  влияние легирующих элементов  на всех этапах основной технологии  ТО и ХТО.

2.5. Описать  структуру и механические свойства  полученного изделия.

2.6. Дать определение полученных структур.

3. Список литературы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Лист  для замечаний. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.1 Вычертить диаграмму  и дать её описание 

    Сплавы  содержащие С < 2,14 % называются сталями, а сплавы содержащие  С > 2,14 % - чугунами.

    АНJЕСF- линия солидус. При температурах ниже температур, определяемых этой линией, все сплавы находятся в твердом состоянии.

    AB - линия температур начала выделения из жидкого раствора кристаллов феррита.

    ВС и CD линии температур начала первичной кристаллизации аустенита (ВС) и цементита (СD).

    АН - линия температур окончания затвердевания сплавов, образующих феррит. По ней определяют состав феррита, кристаллизирующегося при температурах, определяемых линией АВ.

    JE - линия солидуса аустенита, начало кристаллизации которого определяется линией АВС.

    HJB - линия температур перитектического превращения при 1499 °С:

     (С)н + Ж_B (С)_J.

    HN - линия предельной растворимости углерода в -железе. В то же время эта линия показывает начало перехода в -железо при охлаждении или конец этого превращения при нагревании.

    JN - линия конца перехода -железа в -железо при охлаждении или начала этого превращения при нагреве.

    ECF - линия эвтектического превращения: Ж_C (С)_P + Fe₃С. Она обозначает температуру образования эвтектики (ледебурита) и температуру конца первичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14%.

    GS и ES - линии температур начала вторичных превращений (перекристаллизации). Линия ЕS также является линией предельной растворимости углерода в -железе в интервале температур от 1130 до 727 °С. Линия GS показывает также температуры начала полиморфного превращения -железа в -железо (выделение феррита из аустенита при охлаждении и конец обратного превращения при нагревании).

    РG - линия температур конца первичной перекристаллизации аустенита в феррит (линия изменения растворимости углерода в феррите).

    PSK - линия эвтектоидного превращения аустенита состава, соответствующего составу в точке S (С=0,8%) при температуре 727 °С: (С)_S (С)_P+Fe₃С.

    PQ - линия температур начала кристаллизации третичного цементита из феррита (линия растворимости углерода в феррите при температуре от 727 °С до комнатной). 

    1.2 Структурные составляющие и фазы диаграммы 

    Железо – элемент VIII группы периодической системы. Температура плавления 1539 ºС. Железо имеет две аллотропические модификации: α и γ. Модификация Fe_α существует в двух интервалах температур: до 911 ºС и от 1392 до 1539 ºС и имеет ОЦК-решётку. Важной особенностью  Fe_α является его ферромагнетизм ниже температуры 768 ºС, называемой точкой Кюри.

    Углерод – элемент IV группы периодической системы и существует в двух модификациях: графит и алмаз. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз, что используют при получении синтетических алмазов.

    Фазы  в сплавах железа с углеродом  представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный  углерод в виде графита.

    Феррит – твёрдый раствор внедрения углерода в α-железо. Он имеет ОЦК-решётку, растворимость углерода в которой мала. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный δ-феррит с растворимостью углерода 0,1 %. Мягкая пластичная фаза, имеет следующие механические свойства: σ_в =  30 кгс/мм², δ = 40 %, ψ = 70 %, 70-80 HB.

    Аустенит – твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железо. Он имеет ГЦК-решётку, растворимость углерода в железе достигает 2,14 % при 1147ºС. При 727ºС распадается с образованием эвтектоидной феррито-цементитной – перлита. Аустенит пластичен, твёрдость 160-200 HB, парамагнитен.

    Цементит – химическое соединение железа с углеродом (Fe₃C). Он содержит 6,67 % углерода и имеет сложную ромбическую решётку. При нормальных условиях цементит твёрд (800НВ) и хрупок. Первичный цементит кристаллизуется из жидкости. Вторичный выделяется из аустенита при понижении температуры от 1147ºС до 727ºС. Третичный цементит выделяется из феррита при температуре ниже 727ºС. Температура плавления цементита точно не определена и принимается равной 1600 ºС.

    Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Он имеет гексагональную кристаллическую решётку. Графит электропроводен, химически стоек, мало прочен, мягок, 3НВ.

    Ледебурит – эвтектический сплав, имеет сотовое или пластичное строение. При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит. Пластичный ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разделённых аустенитом, и образующихся при быстром охлаждении.

    Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, содержание углерода в котором постоянно и равно 0,8 % углерода. НВ 150 – 250.    

3.   Превращения и  кривая охлаждения в интервале температур от 1600 до 600 ˚С (с применением правила фаз) для сплава с содержанием углерода С=5,5%.

    Для того чтобы построить кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 600 ºС для железоуглеродистого сплава с содержанием углерода С=5,5%, на диаграмме состояния железо-углерод проведём вертикальную прямую соответствующую С=5,5% и обозначим на ней основные точки. Перенесём эти точки на диаграмму зависимости температуры от времени и,  применяя правило фаз, построим кривую охлаждения.

    Правило фаз:

      С = К – Ф + 1

     (С – степень свободы, число  внешних факторов; К – число  компонентов; Ф – число фаз  в данной области).

    К = 2 (Fe и С)

    т.1 С=2-2+1=1≠0, ликвидус

    т.2 С=2-3+1=0, солидус; эвтектическое превращение

    т.3 С=2-3+1=0

4.   Определение содержания  углерода в фазах  и количественного  соотношения фаз

    Содержания  углерода в жидкой фазе и цементите:

В жидкой фазе содержание углерода определяется т.3 и примерно равно 6,67%.

Содержание  углерода в цементите определяется т.1 и примерно равно 4,9%.

Количественное  соотношение фаз, в %:

В жидкой фазе:(1-2/1-3)*100%=50%

В цементите: (2-3/1-3)*100%=50% 

1.5 Микроструктура сплава  с содержанием  С = 5,5% при комнатной температуре.

6. Механические  свойства  чугуна с содержанием  углерода 5,5%

    Белый заэвтектический чугун. Свойства в  большинстве определяются свойствами его основной фазовой составляющей – цементита. Твёрдость 450-800НВ , хрупок и практически не поддается обработке резанием. Является исходным материалом для получения ковких чугунов путём специального графитизирующего отжига. 

1. Расшифровка марки стали 55ХГР

    Сталь 55ХГР – конструкционная легированная рессорно-пружинная. 0,5% углерода, 1% хрома, 1% марганца, 1% бора. 

    Температура критических точек материала 55ХГР:

    A₁=750ºС   A₃(Ac_m)=790ºС   Mn=260ºС

        Используется для изготовления рессорной полосовой стали толщиной 3 — 24 мм.

2.2 Группа сплавов по назначению.

    Рессорно-пружинная  сталь.

    Рессорно-пружинные  стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения.

    Стали поступают в виде проволоки и  ленты, а также горячекатаного и холоднокатаного проката или катанки, из которых изготовляют пружины. Стали для пружин (ГОСТ 14959—79) должны обладать высокими сопротивлением малым пластическим деформациям (σ_0,005 , σ_0,2), пределом выносливости (σ_-1) и релаксационной стойкостью при достаточной пластичности и вязкости. Для получения этих свойств стали должны содержать более 0,5 % С и быть подвергнуты термической обработке — закалке и отпуску или деформационному упрочнению после патентирования.

2.3 Метод получения. Предварительная термическая обработка. 

    Метод получения – ковка, механическая обработка для придания точных размеров.

    Предварительная термическая обработка – нормализация. Температуру нагрева выбираем Т_н = 750ºС-800ºС. В результате нормализации уменьшается размер зерен и снимается внутреннее напряжение полученное в результате получения детали (ковки). 

4. Основная  термическая обработка.

     Т°С 

  830-850 
 

  750-800 масло

          воздух 

  450-470

          вода

                 нормализация                         закалка                               средний отпуск       время 

    Основная  термическая обработка – закалка и средний отпуск.

    Закалка проводится для получения достаточно высокой пластичности.

При закалке  деталь нагревают до температуры  Т_н = 830-850 ºС.  В этом случае сталь с исходной структурой перлит+феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру (П + Ф → А) и растворение  в аустените цементита и легирующих элементов, в следствии чего увеличивается время выдержки – это влечёт за собой рост аустенитного зерна. Время нагрева рассчитываем из соотношения 2,5мин на мм: ≈40мин.

    После этого деталь охлаждают в масле, при охлаждении аустенит превращается в мартенсит закалки (А → М). В результате закалки повышается прочность, износостойкость и твёрдость детали, но повышается хрупкость. 

    После закалки для уменьшения хрупкости  и снятия внутренних напряжений проводим средний отпуск при 450-470 °С. Такой  отпуск обеспечивает наиболее высокие  пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. При  нагреве закаленной стали до температур среднего отпуска мартенсит распадается на мелкодисперсную смесь феррита и цементита, которая называется трооститом отпуска. Троостит достаточно твердая структура (HRC 40-50), но уже обладает некоторой вязкостью.

      Охлаждение после отпуска при 450-470°С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости рессоры. 

5. Влияние легирующих элементов.

    Все легирующие элементы, растворяющиеся в феррите, изменяют параметры кристаллической решетки, а соответственно и его свойства, и тем в большей степени, чем больше разница в атомных радиусах. Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на  свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прокаливаемость и размер зерна стали. 

    В стали 55ХГР легирование бором  повышает предел упругости и модуль упругости стали, легирование марганцем  увеличивает прокаливаемость, уменьшает  рост зерна при нагреве. 

6. Структура и механические свойства полученного изделия.

Полученная  деталь имеет следующие механические свойства:

    передел прочности σ_в = 140 кг/мм²

    относительное удлинение при разрыве d₅ = 5%

    предел  кратковременной прочности σ_т = 125 кг/мм²

    относительное сужение y=30% 

7. Определения полученных структур.

    Мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор  углерода в α – железе с большими внутренними напряжениями и числом  дислокаций. Структура твёрдая, хрупкая, напряжённая, неустойчивая. 

    Троостит  – квазиэвтектоидная смесь феррита и цементита. Твердость 350-500HB. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3. Список литературы

1. Гуляев А.П.  Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. 3-е изд., перераб.и доп. М.: Машиностроение, 1990. 528с.

3. . Тылкин М.А.  Справочник термиста ремонтной  службы М.: Металлургия, 1981. 648с.