Приложение в
(справочное)
Пример выполнения контрольной работы
Вопрос 1 Вычертите диаграмму состояния «железо-карбид железа (цементит)», укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, подробно опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 20 до 1600 оС (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,4 % углерода. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Выберите для заданного сплава любую температуру в двухфазной области, определите химический состав фаз, находящихся в равновесии и их количественное соотношение.
Ответ
Превращения, протекающие в сталях в равновесном состоянии, описываются диаграммой состояния «железо-карбид железа (цементит)», представленной на рисунке В.1.
Рисунок В.1 Диаграмма состояния «железо-карбид железа»
При охлаждении сплава от точки 1 до точки 2 (исключительно) превращений не происходит. Начало кристаллизации сплава происходит в точке 2, лежащей на линии ликвидус, при этом в жидком растворе появляются кристаллы аустенита. При последующем понижении температуры (от точки 2 до точки 3) происходит выделение кристаллов аустенита переменного состава. Состав кристаллов аустенита определяется линией солидус. Особенность первичной кристаллизации заключается в том, что она заканчивается эвтектическим превращением при 1147 оС (точка 3), когда жидкость концентрацией 4,3 % С образует две твердые фазы – аустенит (2,14 % С) и цементит (6,67 % С). Эта эвтектическая смесь зерен аустенита и цементита называется ледебуритом. После окончания первичной кристаллизации структура сплава состоит из первичных кристаллов аустенита и ледебурита. Наличие ледебурита делает сплав нековким, но обладающим высокими литейными свойствами.
При дальнейшем снижении температуры уменьшается растворимость углерода в аустените, и углерод выделяется из аустенита в виде вторичного цементита. Концентрация углерода в аустените изменяется в соответствии с положением линии ES (от 2,14 до 0,8 %). Структура сплава состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.
При достижении температуры точки 4 аустенит претерпевает перлитное превращение.
Таким образом, при температуре ниже точки 4, ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита.
При построении кривой охлаждения используем правило фаз.
На кривой охлаждения сплава отрезок 1−2 соответствует охлаждению жидкости, отрезок 2−3 − кристаллизации, а отрезок 3−5 − охлаждению твердого тела. Кристаллизация начинается в точке 2 (точка ликвидус) и протекает при переменной температуре, что согласуется с правилом фаз, так как число степеней свободы системы в этом случае равняется единице. В данном случае компонентов два (железо и углерод), число фаз равняется двум (жидкость и кристаллы аустенита) и, следовательно:
C2 = k – f + 1=2 – 2 + 1 = 1.
где С − число степеней свободы;
k – количество компонентов;
f – число фаз.
В точке 3 из оставшейся жидкости образуется ледебурит - эвтектическая смесь кристаллов аустенита и цементита. В данном случае компонентов два (железо и углерод), число фаз равняется трем (жидкость, кристаллы аустенита и цементита) и, следовательно:
C3 = k – f + 1=2 –3+ 1 = 0.
Одновременная кристаллизация аустенита и цементита должна протекать при постоянной температуре (отрезок 3−3׳), так как число степеней свободы равно нулю. Точка 3׳, соответствующая концу кристаллизации, называется точкой солидус. Отрезок 3׳−4 соответствует охлаждению закристаллизовавшегося сплава, состоящего из аустенита, вторичного цементита и ледебурита (эвтектическая смесь аустенита и цементита), и, соответственно, число степеней свободы в этом интервале температур равно
C3׳ = k – f + 1=2 – 2 + 1 = 1.
В точке 4 (727 оС) начинается эвтектоидное превращение, при котором аустенит превращается в перлит (механическую смесь феррита и цементита). В этом случае компонентов два (железо и углерод), число фаз равняется трем (аустенит, феррит и цементит) и, следовательно, число степеней свободы при этой температуре равно
C4 = k – f + 1=2 –3+ 1 = 0.
Так как число степеней свободы равно нулю, то образование перлита (отрезок 4−4׳) должно протекать при постоянной температуре. На отрезке 4׳−5 охлаждается сплав, состоящий из кристаллов перлита, ледебурита и вторичного цементита.
Структура сплава при комнатной температуре состоит из смеси перлита, ледебурита и вторичного цементита. Сплав называется доэвтектическим чугуном.
Концентрация и количество фаз у сплава, лежащего между линиями солидус и ликвидус, определяются правилом отрезков. Так, заданный сплав в точке К состоит из жидкой и твердой фаз. Состав жидкой фазы определится проекцией точки l, лежащей на линии ликвидус (3,8 % C), а состав твердой фазы – проекцией точки s (1,7 % C), лежащей на линии солидус. Количество жидкой и твердой фаз определяется из следующих соотношений длин отрезков: количество жидкой фазы sk/sl (1,7/2,1=81 %), количество твердой фазы kl/sl (0,4/2,1=19 %).
Вопрос 2 Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали 80, нанесите на нее две кривые изотермической обработки, обеспечивающие получение твердости НВ 180 и НВ 550. Укажите, как эти режимы называются, какие получаются структуры, с применением диаграммы состояния «Fe-Fe3C» опишите сущность превращений.
Ответ
Диаграмма изотермического распада аустенита (рисунок В.2) строится в координатах «температура - время»; в этих же координатах изображаются и кривые охлаждения.
Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяются на два типа: диффузионные (перлитное, бейнитное); бездиффузионнные (мартенситное).
Перлитное превращение эвтектоидной стали 80 происходит в интервале температур от точки А1 до точки Мн (начала мартенситного превращения).
Для получения структуры, обеспечивающей твердость НВ180, необходимо создать малую степень переохлаждения аустенита. В этом случае образуется крупнозернистая смесь феррита и цементита, называемая перлитом. Верхняя кривая охлаждения, изображенная на рисунке В.2 соответствует процессу изотермического отжига и обеспечивает получение перлита с твердостью 150−200HB.
Рисунок В.2 Диаграмма изотермического распада аустенита стали 80
При высоких температурах превращение развивается медленно, продолжительность инкубационного периода и времени превращения (отрезок 1−2) велики. Перлитное превращение переохлажденного аустенита носит кристаллизационный характер и по своему механизму является диффузионным. Аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита и цементита, содержащего 6,67 % С, т. е. смеси фаз, имеющих резко различную концентрацию углерода. Ведущей фазой при этом является цементит. Его зародыши образуются на границе зерна аустенита, где легко возникают флуктуации углерода, необходимые для образования цементита. Рост зародыша цементита идет за счет диффузии углерода из прилегающих объемов аустенита. Это приводит к обеднению углеродом аустенита, окружающего образовавшуюся цементитную пластинку, и способствует превращению его в феррит. Рядом с цементитом образуется пластинка феррита. Одновременно происходит рост пластинок феррита и цементита. Повторение этого процесса приводит к образованию перлитного зерна.
Образуемый в сталях перлит может быть двух типов: пластинчатый или зернистый. После нагрева до высоких температур (выше точки А3 ) аустенит всегда превращается в пластинчатый перлит. Неоднородный аустенит (в интервале температур А1−A3) превращается при охлаждении в зернистый перлит (так как нерастворенные частицы феррита или цементита являются центрами кристаллизации). В связи с тем, что в стали 80 этих центров кристаллизации нет, то всегда образуется пластинчатый перлит.
Для образования структуры, обеспечивающей твердость НВ550, необходимо создать высокую степень переохлаждения аустенита. При пониженных температурах возрастает дисперсность структур и их твердость.
В интервале температур 550 оC (точка перегиба С-образных кривых) − точка Мн (начала мартенситного превращения) происходит бейнитное превращение. Оно имеет черты перлитного и мартенситного превращения. Его отличительной особенностью является то обстоятельство, что при этих температурах отсутствует диффузия железа, но протекает диффузия углерода.
В аустените, переохлажденном до соответствующих температур, происходит диффузионное перераспределение углерода и образуются участки, обогащенные и обедненные углеродом. Участки аустенита, обедненные углеродом, претерпевают мартенситное превращение (так как у них температура Мн =300-380 оC выше температуры изотермической выдержки). Образовавшийся мартенсит при температурах изотермической выдержки неустойчив и распадается на смесь феррита и цементита (аналогично третьему превращению при отпуске).
Из участков аустенита, обогащенных углеродом, выделяются частички цементита, а затем аустенит, обедненный углеродом, также превращается в мартенсит. Таким образом, в результате бейнитного превращения образуется структура, состоящая из смеси мартенсита и цементита (игольчатый троостит).
Различают верхний и нижний бейнит. Первый образуется в верхнем интервале температур промежуточного превращения и имеет перистое строение, напоминающее перлит, так как цементитные пластинки располагаются между пластинками мартенсита. Второй имеет характерное игольчатое (мартенситное) строение, в связи с тем, что пластинки цементита располагаются внутри пластины мартенсита. Отличие в структуре связано с тем, что в верхнем бейните диффузия идет быстрее и цементит выделяется из аустенита, а в нижнем – из мартенсита.
Режим термообработки, обеспечивающий получение в стали 80 структуры нижний бейнит с твердостью 550HB, называется изотермической закалкой.
Вопрос 3 Для стали 40 укажите химический состав и определите группу стали по назначению, укажите типовые изделия, изготавливаемые из нее. С помощью диаграммы «железо-карбид железа» определите температуры нормализации, полного и неполного отжига для заданной стали. Опишите фазовые превращения, микроструктуру и свойства после каждого вида обработки.
Сталь заданной марки подвергалась закалке от температур 750 и 860 оС. Опишите превращения, происходящие при данных режимах закалки. Укажите, какие образуются структуры, и объясните причины получения разных структур. Какой режим закалки для заданной стали следует рекомендовать?
Если изделия после правильно выполненной закалки имеют твердость более низкую, чем предусмотрено техническими условиями, то чем вызван этот дефект и как можно его исправить?
Ответ
Сталь 40 является среднеуглеродистой (улучшаемой) качественной конструкционной сталью. Содержит: 0,37−0,45 % С; 0,17−0,37 % Si; 0,50−0,80 % Mn; по 0,04 % P и S, по 0,25 % Cr и Ni.
Среднеуглеродистые стали применяются после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения (коленчатые и распределительные валы, шатуны, шестерни, шпиндели, фрикционные диски, штоки, траверсы, плунжеры и т. д.). Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. Стали хорошо обрабатываются резанием. После улучшения сталь 40 имеет высокие механические свойства: предел прочности при растяжении 600−700 МПа. Прокаливаемость этой стали невелика. Критический диаметр при закалке в воде не превышает 10−12 мм. Поэтому ее следует применять для небольших деталей или не требующих сквозной прокаливаемости. Сталь 40 часто применяется для шестерен, валов, работающих в подшипниках скольжения при средней окружной скорости, и других деталей, требующих высокой поверхностной твердости и упрочняемых поверхностной закалкой при индукционном нагреве. Сталь 40 применяют также в виде калиброванной холоднотянутой стали точных размеров. В результате наклепа повышается прочность (при снижении пластичности). Использование калиброванной холоднотянутой стали во многих случаях позволяет устранить трудоемкие операции механической обработки (обточку на токарных станках осей, болтов и т.д.).
Отжиг в промышленности обычно является подготовительной термической обработкой. Понижая прочность и твердость, отжиг улучшает обработку резанием. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению с полученной после литья, ковки или прокатки. Поэтому отжиг в некоторых случаях, например для многих крупных отливок, является окончательной термической обработкой.
Полный отжиг относится к отжигу второго рода (фазовой перекристаллизации). Он заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50 °С выше температуры, соответствующей точке АС3, выдержке при этой температуре для полного прогрева металла и последующем медленном охлаждении, что достигается охлаждением в печи. Вследствие медленного охлаждения сталь приближается к фазовому и структурному равновесию. Следовательно, после отжига среднеуглеродистой стали получаются структуры, указанные на диаграмме состояния железо-цементит: феррит + перлит. При этом отжиге протекает процесс полной перекристаллизации стали. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно и устраняет видманштеттовую структуру стали.
При нагреве до температуры выше точки АС1 образуется аустенит. Аустенит образуется на границе раздела феррит-цементит, поэтому число зародышей велико и образующиеся зерна аустенита мелкие. В дальнейшем медленное охлаждение обеспечивает распад аустенита при малых степенях переохлаждения. Это позволяет избежать образования дисперсной феррито-цементитной смеси и свойственной ей высокой твердости. Полному отжигу подвергают отливки, поковки, прокат.
Неполный отжиг. Этот вид отжига отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки АС1). При нагреве под неполную закалку происходят следующие превращения: после превышения температуры точки Ас1 перлит превращается в аустенит с содержанием углерода 0,8 % и избыточный феррит начинает растворяться в аустените.
Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют, чтобы снять внутренние напряжения и улучшить обрабатываемость резанием. Однако при неполном отжиге происходит только частичная перекристаллизация стали вследствие превращения перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично переходит в твердый раствор, и значительная его часть не подвергается перекристаллизации. По этим причинам неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют, если горячая механическая обработка была выполнена правильно и не создала крупного зерна, в частности видманштеттовой структуры. Если предыдущая горячая механическая обработка производилась при слишком высоких температурах, то после неполного отпуска (в отличие от полного) в структуре может оставаться крупнозернистый феррит. Поэтому для стали 40 при наличии крупнозернистой структуры необходимо производить полный отжиг при температуре 860 оС.
После отжига получаются структуры, указанные на диаграмме состояния железо-цементит: феррит + перлит.
Отжиг нормализационный (нормализация). Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку АС3, непродолжительной выдержке для прогрева и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает фазовую перекристаллизацию стали и, следовательно, устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке (ковке, штамповке). Нормализация широко применяется для улучшения свойств стальных отливок. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной смеси и увеличивает количество перлита. Это повышает на 10−15 % прочность и твердость нормализованной стали по сравнению с отожженной и, кроме того, вследствие измельчения зерна улучшает ее вязкость. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для среднеуглеродистой стали нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства будут ниже, но операция нормализации проще и дает меньшую деформацию изделий по сравнению с получаемой при закалке.
Если сталь 40 подвергалась закалке от температур 750 и 860 оС, то это соответственно неполная и полная закалки.
Полной закалкой называется нагрев до температуры на 30-50° С выше температуры, соответствующей точки Ас3, (для доэвтектоидных сталей), выдержка для завершения фазовых превращений и последующее охлаждение со скоростью выше критической (для углеродистых сталей обычно в воде, а для легированных в масле или в других средах). Закалка не является окончательной термической обработкой. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки подвергают отпуску.
Среднеуглеродистую конструкционную сталь подвергают полной закалке и высокому отпуску для повышения прочности, твердости и получения достаточно высокой пластичности и вязкости. Доэвтектоидные стали надо нагревать до температуры на 30-50 °С выше точки Ас3 (рисунок В.3). В этом случае сталь с исходной структурой перлит + феррит при нагреве получает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превратится в мартенсит. Такой нагрев обеспечивает мелкие зерна аустенита, а после охлаждения мелкоигольчатый мартенсит и вязкий, волокнистый излом.
Рисунок В.3 Оптимальный интервал закалочных температур углеродистой стали
В доэвтектоидной стали, нагретой выше точки Ас1, но ниже точки Ас3, (неполная закалка), после закалки наряду с мартенситом сохраняются участки феррита, не претерпевшие превращения в аустенит при нагреве. Присутствие феррита снижает твердость стали после закалки и ее механические свойства после отпуска. Структура стали после неплной закалки – мартенсит + феррит. Поэтому для доэвтектоидных сталей применяют полную закалку.
Если изделия после правильно выполненной закалки имеют твердость более низкую, чем предусмотрено техническими условиями, то это объясняется недогревом (низкая температура в печи, недостаточная выдержка при правильной температуре в печи). В этом случае мартенсит не обладает достаточной твердостью (не содержит достаточно углерода).
Повышение температуры печи или увеличение выдержки устраняет пониженную твердость закаленных деталей.
Иногда появляются мягкие пятна из-за неоднородности исходной структуры, например скоплений феррита. В этих местах при нагреве до температуры закалки может сохраниться феррит или получиться аустенит с недостаточной концентрацией углерода. В этих местах даже при правильно проведенной закалке твердость недостаточная. Предварительная термическая обработка (нормализация), создающая более однородную структуру, устраняет этот дефект.
Иногда причиной снижения твердости является обезуглероживание поверхности. Обезуглероживание поверхности часто происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемой атмосферы. Поэтому дают припуск на шлифование, что удорожает и усложняет технологию изготовления термически обрабатываемых деталей. Контролируемая искусственная атмосфера в термических печах является радикальным способом устранения или уменьшения этого дефекта.