1. Охарактеризуйте фазы диаграммы железо- цементит.

1. Охарактеризуйте фазы диаграммы железо- цементит.

Диаграмма железо-углерод, как явствует из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо с углеродом образует ряд химических соединений: цементит Fe3C; Fe2C; FeC и др. и, следовательно, система железо-углерод должна быть отнесена к сложной форме диаграммы с химическими соединениями.

Рассматривая диаграмму железо-углерод в участке от железа до цементита можно компонентами системы считать железо и цементит.

На рисунке приведена полная диаграмма состояния системы (стабильная система Fe-Cгр и метастабильная система Fe-FeC).

Метастабильная система железо - цементит (Fe - Fe3C)

Перитектическое превращение δ+Ж↔γ протекает при 1494±2°C. Предельная концентрация углерода в δ-фазе (точка H) отвечает 0,1% (по массе), или 0,46% (ат.). Для точки J приняты значения 0,16% (по массе), или 0,74% (ат.); для точки B - значения 0,51% (по массе), или 2,33% (ат.). По данным термического анализа, линия ликвидус δ-фазы AB - почти прямая, точке B соответствует 2,47% (ат.), предельная растворимость углерода в δ-Fe составляет 0,5% (ат.). Температура перитектической горизонтали равна 1496±2°C, точке J отвечает 0,18% (по массе), или 0,81% (ат.).

Кривая ликвидус аустенита BC установлена данными Руэра, Хондо, Эдкока, Умино и др. Почти прямолинейный вид линии солидус γ-фазы (JE) также подтверждён в работах. Предельная растворимость углерода в γ-фазе при 1147°C составляет 2,14% (по массе), или 9,2% (ат.); при 1150°C 2,02% (по массе), или 8,7% (ат.).

Обычно из расплавов, содержащих более 0,51% (по массе) C, выделяется γ-фаза. Однако при переохлаждении расплавов, содержащих 0,5-1,5% (по массе) C, наблюдалась кристаллизация δ-фазы по метастабильному ликвидусу BB' и солидусу HH' с последующей перекристаллизацией пересыщенной углеродом δ-фазы в равновесную γ-фазу по реакции жδ+δпересыщ→жγ+γ, что указывает на существование в расплавах, содержащих 0,5-1,5% (по массе) C, смешанного ближнего порядка жδ+δ→жγ+γ.

Кривая ликвидус цементита CD экспериментально не фиксируется. Первичный цементит выделяется только при закалке расплавов, содержащих до 5,5% (по массе) C, а при нагреве белых заэвтектических чугунов цементит разлагается до плавления (Fe3C→Fe+Cгр). По расчётным данным, виртуальная температура плавления цементита оценивается равной 1200-1450°C. Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при 1250-1300°C.

В высокоуглеродистых сплавах, содержащих более 6,7% (по массе) C после закалки из жидкого состояния в медную изложницу и ледяную воду наблюдали только Fe3C; других карбидов не обнаружено. Таким образом, метастабильная система при нормальном давлении ограничена цементитом. При повышении давления стабилизируются высшие карбиды Fe7C3, Fe2C и Cалм, однако при давлении 0,1 МПа выделение карбидов FexC (Fe2C) наблюдали лишь при низкотемпературном отпуске закалённой стали.

Температура эвтектической горизонтали ECF принята равной 1147°C, эвтектике (точке С) соответствует 4,30% (по массе), или 17,28% (ат.) C.

Превращение γ↔α (A3, кривая GS), исследованное многими авторами, также подтверждено последующими работами.

Эвтектоидная точка находится при 723°C и 0,76% (по массе), или 3,44% (ат.) C, а по другим данным, при 727,2±0,5°C и 0,765% (по массе), или 3,46% (ат.). Таким образом, температуры и концентрации для всех характерных точек метастабильной системы Fe-Fe3C подтверждены последующими работами.

Растворимость цементита в α-Fe (кривая PQ) очень мала и составляет 0,02% (по массе), или 0,095% (ат.) C. Согласно другим данным, растворимость цементита в α-Fe при 723°C равна 0,025% (по массе).

Метастабильная система Железо - Цементит проявляется только при содержании углерода до 6,67% (по массе) С (Fe3C). При высоких давлениях цементит Fe3C стабилизируется и появляется карбид Fe7C3, находящийся в равновесии с алмазом. Метастабильная система Железо - Цементит представляет фрагмент полной диаграммы Железо - Алмаз, проявляющейся полностью только при высоких давлениях, когда стабильными становятся карбиды Fe3C, Fe7C3 и алмаз. Цементит имеет узкую область гомогенности, изображаемую обычно вертикально.

2. Углеродистые стали 45 и У8 после закалки и отпуска имеют структуру мартенсит отпускаи твердость: первая- 50 HRC, вторая- 60 HRC. Укажите температуру закалки для каждой стали. Опишите превращения, происходящиев этих сталях в процессе закалки и отпуска. Объясните, почему сталь У8 имеет большую твердость, чем сталь 45.

Закалка – термическая обработка – заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А3 для доэвтектоидной и А1 – для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

В результате закалки из аустенита образуется неустойчивая, метастабильная структура мартенсит. Для стали 45 температура АС3 = 770°С, поэтому температуру закалки выбираем 810-840°С.

Для стали У8 критическая точка АС1 = 720°С, поэтому температура закалки равна 770-790°С

Низкий отпуск снижает закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. При отпуске уменьшается степень тетрагональности кристаллической решетки мартенсита вследствие выделения из нее углерода в виде ε-карбида.

Низкий отпуск для обеих сталей проводим при температуре 160-200ºС. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости изделий. Структура стали 45 – отпущенный мартенсит, стали У8 – отпущенный мартенсит + цементит (при доэвтектоидной концентрации углерода в стали У8 цементит выделяться не будет).

Рисунок 2 – Твердость мартенсита в зависимости от содержания углерода

Из рисунка 2 видно, что сталь У8 (0,8-0,9% С) после закалки имеет большую твердость, чем сталь 45 (0,42-0,50% С).

4. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8. Нанесите на нее кривую режима термической обработки, обеспечивающее получение твердости 50-53 HRC. Укажите, как этот режим называется и какая структура при этом получается.

Рисунок 1 – Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8

Изотермической обработкой, необходимой для получения твердости 50-53 HRC, является изотермическая закалка. При изотермической закалке сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас1 (Ас1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 250-350°С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточной для полного превращения аустенита в нижний бейнит, имеющий твердость 50-53 HRC. Нижний бейнит представляет собой структуру, состоящая из α-твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом, и частиц карбидов. В качестве охлаждающей среды при изотермической закалке применяют расплавленные соли или расплавленные щелочи.

3. Выберите марку чугуна для изготовления ответственных деталей повышенной прочности подъемно- транспортного оборудования. Укажите состав, обработку, структуру и основные механические свойства.

Высокопрочный чугун (ЧШГ — чугун с шаровидным графитом) получают модифицированием жидкими присадками (0,1...0,5 магния от массы обрабатываемой порции чугуна, 0,2...0,3 церия, иттрия и некоторых других элементов).

Химический состав высокопрочного чугуна (2,7...3,7 % С; 0,5...3,8 % Si) выбирается в зависимости от толщины стенок отливки (чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния).

Рекомендуется подвергать чугунные изделия объемной закалке.

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостоикость и др.) свойствами. Они используются для массивных отлив,ок взамен стальных литых и кованых деталей — цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др.

Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску).

Образование мелкоигольчатого мартенсита в закаленном поверхностном слое изделий повышает их износостоикость в три и более раз. Для повышения износостойкости применяется также азотирование (или азотирование с последующей «обдувкой дробью»), при котором в поверхностных слоях изделий создаются благоприятные сжимающие напряжения.

5. Укажите состав и структуру сплава Бр 04Ц4С17. Объясните назначение легирующих элементов и высокие антифрикционные свойства. Приведите пример использования этого сплава.

Sn 3.5-5.5

Zn 2.0-6.0

Pb 14.0-20.0

Cu остальное

ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ

Оловянные бронзы применяют с древнейших времен и они хорошо освоены промышленностью.

Бронзы отличаются невысокой жидкотекучестью из-за большого интервала кристаллизации. По этой же причине в бронзе не образуется концентрированная усадочная раковина, а возникает рассеянная мелкая пористость. Линейная усадка у оловянных бронз очень невелика и составляет 0,8% при литье в песчаную форму и 1,4% при литье в кокиль. Указанные свойства облегчают получение отливок, от которых не требуется высокой герметичности.

В оловянные бронзы часто вводят фосфор. Фосфор, во-первых, раскисляет медь и уменьшает содержание водорода в расплаве; во-вторых, повышает прочностные свойства; в-третьих, улучшает жидкотекучесть и позволяет получать отливки сложной формы с тонкими стенками, в частности, качественное художественное литье. Фосфор в бронзах с небольшим количеством олова повышает сопротивление износу из-за появления в структуре твердых частичек фосфида меди Си3Р. Однако фосфор ухудшает технологическую пластичность, поэтому в деформируемые сплавы вводят не более 0,5% Р.

Оловянные бронзы легируют цинком в больших количествах, но в пределах растворимости. При таких содержаниях цинк благоприятно влияет на свойства оловянных бронз:

1) снижает склонность к ликвации и повышает жидкотекучесть, поскольку он уменьшает температурный интервал кристаллизации сплавов;

2) способствует получению более плотного литья;

3) раскисляет расплав и уменьшает содержание в нем водорода;

4) улучшает прочностные свойства.

Никель повышает прочностные свойства и улучшает пластичность и деформируемость, повышает их коррозионную стойкость, плотность, уменьшает ликвацию. Бронзы с никелем термически упрочняются закалкой и старением. Свинец повышает жидкотекучесть и плотность, их антифрикционные свойства.

Первая группа — литейные стандартные, предназначенные для получения разных деталей машин методами фасонного литья. К этим бронзам, помимо высоких литейных свойств, предъявляются следующие требования:

а) хорошая обрабатываемость резанием;

б) высокая плотность отливок;

в) достаточная коррозионная стойкость;

г) высокие механические свойства.

Пример: Втулки в зубчатых колесах КПП.

Дата добавления: 2015-08-29