Примеры выполнения заданий

Задача 1. Вычертить диаграмму состояния железо-цементит, указать структурные составляющие во всех областях диаграммы, привести ее описание, охарактеризовать превращения и построить кривую охлаждения (с применением правила фаз) от 1600 °С до комнатной температуры для сплава, содержащего 0,3 %С.

 

Диаграмма состояния железо-углерод (железо-цементит) представлена на рис.1.

Описание диаграммы железо-цементит, правил фаз и отрезков, а также превращений, происходящих в сплавах при охлаждении, приводится с использованием рекомендуемой литературы [1],[2].

Рассмотрим превращения, происходящие в сплаве (0,3 %С) при охлаждении, и построим кривую охлаждения для заданного сплава (рис.2) с применением правила фаз.

Выше линии АВ (линии ликвидус) сплав находится в жидком расплавленном состоянии (Ж). При достижении температуры линии АВ (точка 1) и ниже этой линии происходит выделение феррита из жидкого сплава. Поэтому ниже точки 1 структура сплава состоит из жидкого раствора и кристаллов феррита (Ф + Ж).

Линия HJB (точка 2) – линия перитектического нонвариантного (С = 0) равновесия (1490°С). При достижении температуры, соответствующей линии HJB, происходит перитектическая реакция – жидкость состава точки В (0,51 %С) взаимодействует с кристаллами феррита состава точки Н с образованием аустенита состава точки J:

 

Ж_В + Ф_Н ® А_J.

 

Итак в сплаве, содержащем 0,3 %С при перитектической температуре образуется аустенит, но некоторое количество жидкой фазы остается:

 

Ж_В + Ф_Н ® Ж_В + А_J.

 

Поэтому при температуре ниже линии JB (точки 2) рассматриваемый сплав имеет двухфазную структуру, состоящую из аустенита и жидкой фазы (А + Ж).

Процесс кристаллизации закончится по достижении температуры, соответствующей линии JE (точка 3). После затвердевания сплав приобретает однофазную структуру – аустенит (А).

При достижении температуры линии GS диаграммы (точка 4) из аустенита начинает выделяться феррит, и поэтому ниже линии GS структура сплава состоит из феррита и аустенита (Ф + А).

 

Линия эвтектоидного превращения PSK (727°С) при охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8 %С) с образованием эвтектоида - ферритоцементитной структуры, получившей название перлит.

При охлаждении сплава, содержащего 0,3 %С, до температуры линии PSK (точка 5) происходит следующее эвтектоидной превращение:

 

А_S ® Ф_Р + Ц_К, т.е. А ® П.

 

Следовательно, ниже линии PSK сплав, содержащий 0,3 %С, состоит из перлита и феррита (П + Ф). Такую структуру имеет доэвтектоидная сталь 30.

 

Рис.1. Диаграмма состояния железо-углерод (железо-цементит)

 

 

 

 

Рис.2. Кривая охлаждения сплава (0,3 %С)

 

Задача 2. Рассчитать количество каждой фазы (с применением правила отрезков) в сплаве, содержащем 1,5 %С при температуре 1350 °С.

 

Сплав, содержащий 1,5 %С, называется заэвтектоидной сталью. Такой сплав имеет исходную структуру, состоящую из перлита и вторичного цементита. Фазовый состав сплава при температуре 1350°С – аустенит + жидкость.

Рассчитаем по правилу отрезков фазовый состав сплава, содержащего 1,5 %С (рис.1):

 

 

 

Задача 3. Используя диаграмму состояния железо-цементит, назначьте температуру закалки для стали 40. Опишите сущность происходящих превращений, структуру и свойства стали.

 

Сталь 40 является доэвтектоидной сталью, содержащей 0,4 %С.

Закалка – заключается в нагреве стали выше критической температуры, выдержке и быстром охлаждении со скоростью выше критической. При таком охлаждении происходит бездиффузионное превращение аустенита. Образующийся пересыщенный раствор углерода в a-железе называется мартенситом.

Выбор температуры закалки сталей проводится по диаграмме железо-цементит. Для доэвтектоидной стали 40 проводится полная закалка; при этом нагрев стали производится до температуры на 30-50 °С выше линии GS. Для стали 40 эта температура составляет ~ 840-850 °С (рис.1).

Сталь, закаленная на мартенсит, находится в сильно напряженном состоянии и обладает повышенной твердостью и хрупкостью. Для снижения внутренних напряжений применяют отпуск сталей.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов немашиностроительных спец. ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2007. – 446с., ил.

2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2009. – 637 с.

3. Сильман, Г.И. Материаловедение: учеб.пособие для вузов по специальностям направления подгот. "Металлургия, машиностроение и материалопереработка" / Г. И. Сильман. - М.: Академия, 2008. - 335 с.

 

 

Дмитриева Наталья Викторовна