Диаграмма изотермического распада переохлаждённого аустенита

Если нагретую сталь со структурой аустенита переохладить до температуры ниже 727˚С, то аустенит окажется в неравновесном состоянии. Переохлажденный аустенит через некоторое время (инкубационный период) начнёт распадаться на феррито-цементитную смесь. В зависимости от степени переохлаждения и механизма процесса различают три превращения аустенита: перлитное, мартенситное и промежуточное (бейнитное). Превращения протекают в соответствии с диаграммой изотермического распада переохлажденного аустенита, изображаемой в координатах «температура-время» (рис. 33). На диаграмме, соответствующей эвтектоидной стали:

· Линия А₁ отделяет область устойчивого аустенита.

· Линия 1 – линия начала диффузионного распада аустенита, левее этой линии – аустенит переохлажденный, его устойчивость минимальна при температуре около 500˚С.

· Линия 2 – линия конца диффузионного распада, правее этой линии - продукты перлитного (выше 500˚С) и бейнитного (ниже 500˚С) превращений.

· Линия Мн – линия (температура) начала бездиффузионного мартенситного превращения.

· Линия Мк – линия конца этого превращения, для эвтектоидной стали эта температура имеет отрицательное значение.

Цементация стали. Назначение процесса. Стали для цементации. Применяемая термическая обработка, получаемые структура и свойства

 

Цементация – это вид химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом. Цель цементации - повышение твёрдости и износостойкости поверхности при сохранении вязкой сердцевины.

Цементацию проводят при температуре 930…950°C в углеродсодержащей среде (карбюризаторе). В качестве карбюризатора чаще используют газовые среды, например, эндогаз (20%СО+40%H2+40%N2, с добавкой 5% CH4). Основным источником атомарного углерода является окись углерода: 2СО→CO₂+C_ат. Атомы углерода, образующиеся в насыщающей среде, адсорбируются на поверхности детали, а затем диффундируют вглубь. Образуется диффузионный слой с повышенной концентрацией углерода, толщина которого зависит от температуры и длительности насыщения и составляет обычно 1…2 мм. Для получения слоя толщиной 1,5 мм цементацию проводят в течение 15 часов. Охлаждение после цементации ведут на воздухе.

Цементации подвергают малоуглеродистые стали (0,1…0,3%С). После цементации в поверхностном слое находится до 0,8…1,1%С, содержание углерода плавно уменьшается по глубине до исходной его концентрации в стали. Соответственно меняется структура от поверхности вглубь слоя от заэвтектоидной (П+Ц_II), эвтектоидной (П) к доэвтектоидной (П+Ф).

Для получения окончательной структуры и свойств детали после цементации проводят закалку и низкий отпуск. Для наследственно мелкозернистых сталей закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи, подстуживая детали до 860°C, затем дают низкий отпуск при 160-200°C. Для устранения крупнозернистой структуры сталей применяют повторный нагрев под закалку после цементации.

Окончательная с труктура поверхности изделия - М_ОТП+А_ОСТ+Ц_II с высокой твердостью (58..64 HRC). Структура сердцевины углеродистых сталей – сорбит(перлит)+феррит, легированных – бейнит или малоуглеродистый мартенсит.

 

Задача:

 

 

Билет №7

 

1. Мартенситное превращение и его особенности. Строение и свойства мартенсита. Влияние углерода и легирующих элементов на температуру Мн и Мк.

Мартенситное превращение протекает в интервале температур М_н-М_к (рис. 33).

Механизм мартенситного превращения – бездиффузионный. При непрерывном быстром охлаждении аустенита со скоростью выше критической (V_КР - критическая скорость закалки – минимальная скорость охлаждения для получения мартенсита) диффузии углерода не происходит, идет только полиморфное γ→α превращение:

Feγ(C)0,8%C→ Feα(C)0,8%C.

Образуется мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.

Кристаллическая решётка мартенсита - тетрагональная (Рис.34), в ней отношение периодов с/а≠1. Чем больше в мартенсите углерода, тем больше степень тетрагональности (с/а).

 

 

Рис.34. Кристаллическая решетка мартенсита

 

Мартенсит – структура закаленной стали, обладает высокой твердостью. Это объясняется искажениями кристаллической решётки, вызванными повышенным содержанием в ней углерода, увеличением плотности дислокаций до 10¹²см^-2. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Твердость мартенсита стали с содержанием углерода 0,8% – 63…65 HRC.

Мартенсит имеет игольчатое строение (рис. 35).

 

Рис. 35. Строение мартенсита: а – схема, б – микроструктура

Основные особенности мартенситного превращения:

· превращение А→М идет по бездиффузионному механизму;

· превращение А→М идёт с увеличением объёма, что вызывает значительные остаточные напряжения;

· мартенситное превращение не идёт до конца, в структуре сохраняется остаточный аустенит (А_ОСТ).

Количество А_ОСТ зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали, которые влияют на положение точек начала и конца мартенситного превращения (рис. 36). При содержании углерода более 0,6% М_К опускается в область отрицательных температур. Чем больше углерода и легирующих элементов, тем ниже М_Н и М_К и тем больше в структуре остаточного аустенита.

 

Рис. 36. Влияние содержания углерода (сплошные линии) и легирующих элементов (пунктирные линии) на температуру мартенситных точек М_Н и М_К

1. Виды и назначение отпуска. Фазовые и структурные превращения, протекающие при отпуске.

Отпуск стали

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже А_С1, выдержка и охлаждение. Цель отпуска – получение окончательной структуры и свойств стали. Отпуск основан на превращениях мартенсита при нагреве (см. п. 6.3), в результате которых происходит изменение структуры и свойств стали (рис. 43).

Различают три вида отпуска (табл.3). Окончательная термообработка, назначаемая изделию для придания требуемых свойств, состоит из закалки и последующего отпуска. Закалку с низким отпуском применяют для деталей машин и инструмента, от которых требуются высокая твердость и износостойкость. Закалку с последующим средним отпуском – для изделий с повышенными упругими свойствами. Закалку с высоким отпуском (улучшение) – для деталей, работающих при повышенных динамических (ударных) и циклических нагрузках.

 

Рис. 43. Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной стали

Таблица 3

Характеристика видов отпуска

Виды отпуска	Температура, °С	Структура	Свойства	Применение
Низкий	150…250	Мотп	HRC, σв	Инструмент, подшипники, детали после ХТО и ТВЧ
Средний	350…500	Тотп	σупр, σ-1	Рессоры, пружины
Высокий	500…680	Сотп	КС	Валы, оси, шатуны

Отпускная хрупкость

 

С уществуют определенные температурные интервалы отпуска, в которых снижается ударная вязкость (Рис.44). Понижение ударной вязкости при температурах отпуска называется отпускной хрупкостью.

Отпускная хрупкость I рода (необратимая) наблюдается в температурном интервале среднего отпуска (250…400°С) у всех конструкционных сталей. Её связывают с неравномерным выделением карбидов из мартенсита по границам зёрен. Хрупкость I рода устраняется нагревом до температуры выше 400°С, снижающим, однако, твердость.

Отпускная хрупкость II рода (обратимая) проявляется при температуре 500…550°С в Cr-Ni- и Cr-Mn- улучшаемых сталях. Предполагаемая причина – скопление фосфора и элементов внедрения по границам зёрен при медленном охлаждении. Хрупкость II рода устраняется повторным отпуском с быстрым охлаждением. Для предупреждения обратимой хрупкости стали легируют молибденом (0,3%) или вольфрамом (до 1%).

 

Рис. 44. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали

Сплавы на основе меди. Маркировка, свойства, назначение

 

Медь и ее сплавы

Свойства меди:

· Т_пл=1083 °С,

· кристаллическая решетка ГЦК (полиморфных превращений не испытывает),

· высокая тепло- и электропроводность;

· коррозионная стойкость;

· высокая пластичность;

· высокие технологические свойства: хорошо обрабатывается давлением, сваривается, легко поддается пайке, полируется.

Различают две основные группы медных сплавов: латуни и бронзы.

 

Латуни

Латуни – сплавы меди с цинком. Маркируются буквой Л и числом, показывающим содержание меди (например, латунь Л68 содержит 68% Cu и 32% Zn). В марках многокомпонентных латуней содержатся буквенные обозначения элементов, числа последовательно показывают содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь ЛАН59-3-2 содержит 59%Cu, 3%Al, 2%Ni (остальное Zn).

Латуни по структуре делят на две группы:

· однофазные со структурой α-твердого раствора, содержат <39%Zn;

· двухфазные со структурой α + β', содержат от 39% до 45%Zn.

Однофазные α-латуни (Л96, Л80) обладают пластичностью, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии, упрочняются холодной пластической деформацией. Однофазные латуни применяются в виде полос, лент, проволоки, а также в качестве деталей (шайбы, втулки и т.д.).

Двухфазные α+β'- латуни (Л59, Л60) по сравнению с однофазными латунями имеют бόльшую прочность и износостойкость, из них изготавливают втулки, гайки, токопроводящие детали.

Специальные латуни дополнительно легированы элементами: Sn, Pb, Si, Ni, Al, Fe, Mn.

 

 

Бронзы

Бронзы – это сплавы меди с различными элементами: оловом, алюминием, кремнием, хромом, кадмием, бериллием и др. Маркировка бронз начинается с букв Бр, далее следуют буквенные обозначения легирующих элементов, а затем цифры, показывающие содержание каждого элемента. Например, бронза БрОЦС6-6-3 содержит 6%Sn, 6%Zn, 3%Pb, остальное – медь.

 

 

· Задача: Сильхромы 40Х9C2 и 40Х10С2М применяют для изготовления выпускных клапанов двигателей. Т_раб.max=650°С.

После закалки и высокого отпуска формируется структура сорбита отпуска. Жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидных и интерметаллидных фаз

 

 

Билет №8

Чугуны. Виды чугунов. Высокопрочные чугуны, их состав, структура, получение, строение. Маркировка. Свойства и применение

 

Чугуны, благодаря наличию эвтектики, обладают высокими литейными свойствами (жидкотекучестью).

В отличие от белых чугунов в серых чугунах углерод частично или полностью находится в виде графита. По составу серый чугун – это тройной сплав Fe-C-Si. Кремний способствует графитизации чугуна. Графит обеспечивает чугуну хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные и демпфирующие свойства, снижает чувствительность к надрезам, но понижает прочность и пластичность. В состав серого чугуна входят 2,4…3,5%С, 1,2…3,5%Si и постоянные примеси – Mn, P и S. Марганец затрудняет графитизацию (отбеливает чугун), но повышает механические свойства, фосфор улучшает жидкотекучесть, но увеличивает хрупкость, сера – ухудшает литейные и механические свойства. Изменяя содержание углерода, кремния и скорость охлаждения отливки можно получить разную структуру серого чугуна. Она состоит из металлической основы и графитных включений.

По металлической основе серые чугуны различают на:

· перлитный,

· феррито-перлитный,

· ферритный.

По форме графитных включений различают:

· серый литейный чугун с пластинчатым графитом;

· высокопрочный чугун с графитом шаровидной формы;

· ковкий чугун с графитом хлопьевидной формы.

Серый литейный чугун (рис.21) получают методом литья. Основными способами графитизации являются:

· медленное охлаждение отливки (малая степень переохлаждения, ΔТ < 6°С);

· легирование кремнием;

· модифицированием твердыми частицами Al₂O₃, SiO₂ или графита.

 

ферритный феррито-перлитный перлитный

Рис.21. Микроструктуры серых литейных чугунов

Серый чугун плохо работает на растяжение, имеет низкую пластичность (δ<0,5%). Предел прочности на сжатие в 4…5 раз выше, чем на растяжение. Применяют его для деталей, работающих на сжатие: поршневые кольца, станины станков, опоры, блоки цилиндров, поршни, картеры и др.

Высокопрочный чугун (рис. 22) получают методом литься с модифицированием жидкого расплава магнием (0,03..0,08%). Магний способствует получению графита шаровидной формы и измельчению феррито-цементитной смеси металлической основы.

 

ферритный феррито-перлитный перлитный

Рис. 22. Микроструктуры высокопрочных чугунов

Высокопрочные чугуны применяют для изготовления оборудования прокатных станов, корпусов паровых турбин. В автомобилестроении их используют для изготовления коленчатых валов.

Ковкий чугун получают из доэвтектического белого чугуна длительным отжигом (графитизацией) отливок: медленный нагрев до 950..1000°С, выдержку 20-25 часов, при которой цементит ледебурита и цементит вторичный превращаются в перлит (первая стадия графитизации – получают перлитный ковкий чугун). Для получения ферритного ковкого чугуна с температуры нагрева после первой стадии граффитизации, чугун медленно охлаждают в диапазоне эвтектоидного превращения 760..720°С или дают выдержку 25-30 часов (вторая стадия графитизации), перлит распадается на феррит и графит – получают ферритный ковкий чугун (рис.23). Для получения феррито-перлитного ковкого чугуна сокращаюи время выдержки на второй стадии графитизации. Ковкий чугун отличается высокой пластичночтью (особенно ферритный), его применяют для деталей, работающих в условиях ударных и циклических нагрузок, отливок сложной формы.

Рис.23. Схема отжига ковкого чугуна

Примеры маркировка серых чугунов:

- серый литейный – СЧ35: серый чугун, σ_в=350 МПа;

- высокопрочный чугун – ВЧ1200: высокопрочный чугун, σ_в=1200 МПа;

- ковкий чугун – КЧ37-12: ковкий чугун, σ_в=370 МПа, δ=12%.

 

 

Ферритный Феррито-перлитный Перлитный

Рис. 24. Микроструктуры ковких чугунов.

 

Зерно аустенита в стали. Начальное, наследственное и действительное зерно. Перегрев и пережог