Контрольная работа 1 Вариант 15
От каких основных факторов зависит величина зерна закристаллизовавшегося металла и почему?
Величина зерна зависит от:
– степени переохлаждения;
– температура нагрева и разливки жидкого металла;
– химический состав и присутствие посторонних примесей.
Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (ΔТ):
Процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.
В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рисунок 1).
Рисунок 1 – Зависимость числа центров кристаллизации (а)и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения
При небольшой степени переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
Часто источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы, которые всегда присутствуют в расплаве. Структурное сходство между поверхностями сопряжения зародыша и частицы посторонней примеси приводит к уменьшению размера критического зародыша, работы его образования, и затвердевание жидкости начинается при меньшем переохлаждении, чем при самопроизвольном зарождении.
Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно.
Размер зерна сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.
Каким видом пластической деформации (холодной или горячей) является деформирование железа при температуре 500 °C. Объясните, как при этом изменяются структура и свойства железа.
В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформации. Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.
Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры.
При этих температурах деформация также вызывает упрочнение «горячий наклеп», которое полностью или частично снимается рекристаллизацией, протекающей при температурах обработки и при последующем охлаждении. В отличие от статической полигонизации и рекристаллизации, рассмотренных ранее, процессы полигонизации и рекристаллизации, происходящие в период деформации, называют динамическими.
По правилу А.А. Бочвара можно оценить в первом приближении температурный порог рекристаллизации по известной температуре плавления металла: Тп.р.=0,4 Тпл…
Температура начала рекристаллизации железа:
Тп.р.=(1539+273)0,4 -273=452°С.
Следовательно, деформирование железа при температуре 500 °C является горячей деформацией.
Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,9% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
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 ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. 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 γ-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 А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].
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 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь 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 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
а) б)
Рисунок 2: а – диаграмма железо-цементит, б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,9% углерода
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 1,9 % С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – цементит (вторичный) + перлит.
Используя диаграмму состояния железо-цементит и график зависимости твердости от температуры отпуска, назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) различных приспособлений из стали 45, которые должны иметь твердость 28…30 HRC. Опишите превращения, происходящие на всех этапах термической обработки, получаемую структуру.
Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С.
Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.
В зависимости от температуры отпуска меняется твердость закаленной стали. Например, при 600°С твердость НВ не более 200 ед., при 400°С – не более 280 ед., а при 200°С – не более 450 ед.
Поэтому для получения твердости 28…30 HRC закаленную сталь подвергают среднему отпуску при температуре 380-420°С. Структура стали после высокого отпуска – троостит отпуска.
Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривые режимов обычной закалки, ступенчатой и изотермической. Каковы преимущества и недостатки каждого из этих видов закалки?
Оптимальный способ закалки выбирают в зависимости от состава стали, формы и размеров детали. Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения, тем при более низкой температуре происходит превращение аустенита в мартенсит, тем больше вероятность образования трещин, тем тщательнее нужно выбирать способ охлаждения.
Чем сложнее деталь, тем больше различие в сечениях детали, больше величина внутренних напряжений, возникающих при охлаждении. Существуют следующие способы закалки:
Закалка в одном охладителе получила наиболее широкое применение. Нагретую до определенной температуры деталь погружают в закалочную среду, где она остается до полного охлаждения. Этот способ применяют для деталей простой формы из углеродистых и легированных сталей. Детали из углеродистых сталей диаметром более 5 мм охлаждают в воде, а менее – в масле. Легированные стали охлаждают в масле. Такой способ наиболее распространен вследствие его простоты и дешевизны. Для обычной закалки характерно большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины детали, которое является основной причиной образования термических напряжений и закалочных трещин.
При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн (обычно 230-250 °С), и выдерживается в ней до выравнивания температуры по всему сечению. Выдержка не должна быть очень длительной, чтобы не вызвать превращения аустенита в бейнит. Затем следует окончательное охлаждение на воздухе, во время которого происходит превращение аустенита в мартенсит. При ступенчатой закалке уменьшаются объемные изменения, коробление и опасность возникновения трещин. Правку изделий, склонных к короблению, осуществляют в период охлаждения на воздухе. Основной недостаток ступенчатой закалки – малая скорость охлаждения в горячей среде. Поэтому применение ступенчатой закалки к углеродистым сталям ограничено изделиями небольшого сечения (до 8-10 мм толщиной). Изделие большого сечения охлаждается в горячей среде медленно, и аустенит успевает претерпеть эвтектоидный распад. Изделия из легированных сталей, у которых меньше критическая скорость охлаждения, проще подвергать ступенчатой закалке. Так, например, ступенчатой закалкой широко пользуются при обработке инструментов и деталей машин из хромистой стали.
Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительна. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита. Продолжительность выдержки в закалочной среде зависит от устойчивости переохлажденного аустенита при температурах выше Мн и определяется по диаграмме изотермического превращения аустенита для каждой марки стали. В основном изотермической закалке подвергают легированные стали. В качестве охлаждающих сред при ступенчатой и изотермической закалке применяют расплавленные соли или расплавленные щелочи. Добавка 5-10% воды в расплав щелочей и солей увеличивает скорость охлаждения. Резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления – важное преимущество изотермической закалки. Кроме того, у изотермической закалки есть и другое преимущество. При бейнитном превращении в некоторых легированных сталях сохраняется большое количество остаточного аустенита, который не превращается в мартенсит при охлаждении после изотермической выдержки. Изотермическая закалка таких сталей обеспечивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствительность к надрезу по сравнению с закаленной на мартенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая закалка позволяет повысить конструктивную прочность стали.
Величина зерна зависит от:
– степени переохлаждения;
– температура нагрева и разливки жидкого металла;
– химический состав и присутствие посторонних примесей.
Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (ΔТ):
Процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.
В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рисунок 1).
Рисунок 1 – Зависимость числа центров кристаллизации (а)и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения
При небольшой степени переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
Часто источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы, которые всегда присутствуют в расплаве. Структурное сходство между поверхностями сопряжения зародыша и частицы посторонней примеси приводит к уменьшению размера критического зародыша, работы его образования, и затвердевание жидкости начинается при меньшем переохлаждении, чем при самопроизвольном зарождении.
Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно.
Размер зерна сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.
Каким видом пластической деформации (холодной или горячей) является деформирование железа при температуре 500 °C. Объясните, как при этом изменяются структура и свойства железа.
В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформации. Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.
Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры.
При этих температурах деформация также вызывает упрочнение «горячий наклеп», которое полностью или частично снимается рекристаллизацией, протекающей при температурах обработки и при последующем охлаждении. В отличие от статической полигонизации и рекристаллизации, рассмотренных ранее, процессы полигонизации и рекристаллизации, происходящие в период деформации, называют динамическими.
По правилу А.А. Бочвара можно оценить в первом приближении температурный порог рекристаллизации по известной температуре плавления металла: Тп.р.=0,4 Тпл…
Температура начала рекристаллизации железа:
Тп.р.=(1539+273)0,4 -273=452°С.
Следовательно, деформирование железа при температуре 500 °C является горячей деформацией.
Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,9% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
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 ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. 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 γ-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 А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].
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 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь 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 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
а) б)
Рисунок 2: а – диаграмма железо-цементит, б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,9% углерода
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 1,9 % С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – цементит (вторичный) + перлит.
Используя диаграмму состояния железо-цементит и график зависимости твердости от температуры отпуска, назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) различных приспособлений из стали 45, которые должны иметь твердость 28…30 HRC. Опишите превращения, происходящие на всех этапах термической обработки, получаемую структуру.
Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С.
Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.
В зависимости от температуры отпуска меняется твердость закаленной стали. Например, при 600°С твердость НВ не более 200 ед., при 400°С – не более 280 ед., а при 200°С – не более 450 ед.
Поэтому для получения твердости 28…30 HRC закаленную сталь подвергают среднему отпуску при температуре 380-420°С. Структура стали после высокого отпуска – троостит отпуска.
Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривые режимов обычной закалки, ступенчатой и изотермической. Каковы преимущества и недостатки каждого из этих видов закалки?
Оптимальный способ закалки выбирают в зависимости от состава стали, формы и размеров детали. Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения, тем при более низкой температуре происходит превращение аустенита в мартенсит, тем больше вероятность образования трещин, тем тщательнее нужно выбирать способ охлаждения.
Чем сложнее деталь, тем больше различие в сечениях детали, больше величина внутренних напряжений, возникающих при охлаждении. Существуют следующие способы закалки:
Закалка в одном охладителе получила наиболее широкое применение. Нагретую до определенной температуры деталь погружают в закалочную среду, где она остается до полного охлаждения. Этот способ применяют для деталей простой формы из углеродистых и легированных сталей. Детали из углеродистых сталей диаметром более 5 мм охлаждают в воде, а менее – в масле. Легированные стали охлаждают в масле. Такой способ наиболее распространен вследствие его простоты и дешевизны. Для обычной закалки характерно большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины детали, которое является основной причиной образования термических напряжений и закалочных трещин.
При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн (обычно 230-250 °С), и выдерживается в ней до выравнивания температуры по всему сечению. Выдержка не должна быть очень длительной, чтобы не вызвать превращения аустенита в бейнит. Затем следует окончательное охлаждение на воздухе, во время которого происходит превращение аустенита в мартенсит. При ступенчатой закалке уменьшаются объемные изменения, коробление и опасность возникновения трещин. Правку изделий, склонных к короблению, осуществляют в период охлаждения на воздухе. Основной недостаток ступенчатой закалки – малая скорость охлаждения в горячей среде. Поэтому применение ступенчатой закалки к углеродистым сталям ограничено изделиями небольшого сечения (до 8-10 мм толщиной). Изделие большого сечения охлаждается в горячей среде медленно, и аустенит успевает претерпеть эвтектоидный распад. Изделия из легированных сталей, у которых меньше критическая скорость охлаждения, проще подвергать ступенчатой закалке. Так, например, ступенчатой закалкой широко пользуются при обработке инструментов и деталей машин из хромистой стали.
Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительна. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита. Продолжительность выдержки в закалочной среде зависит от устойчивости переохлажденного аустенита при температурах выше Мн и определяется по диаграмме изотермического превращения аустенита для каждой марки стали. В основном изотермической закалке подвергают легированные стали. В качестве охлаждающих сред при ступенчатой и изотермической закалке применяют расплавленные соли или расплавленные щелочи. Добавка 5-10% воды в расплав щелочей и солей увеличивает скорость охлаждения. Резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления – важное преимущество изотермической закалки. Кроме того, у изотермической закалки есть и другое преимущество. При бейнитном превращении в некоторых легированных сталях сохраняется большое количество остаточного аустенита, который не превращается в мартенсит при охлаждении после изотермической выдержки. Изотермическая закалка таких сталей обеспечивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствительность к надрезу по сравнению с закаленной на мартенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая закалка позволяет повысить конструктивную прочность стали.
Пн - Вскp 600 - 2300
prepodvshoke@gmail.com
blackadmins
0 комментариев