Материаловедение. Домашнее задание. Вариант 8.

Московский Государственный Университет Инженерной Экологии

Материаловедение

Домашнее задание

Вариант 8.

Работу выполнил:

Студент группы М-33

Рузанов Л.

Работу проверила:

Адамова А.Ж.

Москва

2006 год

Вариант 8.

1. Построить диаграмму изотермического распада аустенита с указанием структур и свойств. Изобразить ступенчатый способ закалки.

2. Охарактеризовать стали 60А и У10 по качеству, структуре в равновесном состоянии, содержанию углерода, назначению. Рекомендовать термическую обработку этих сталей. В каком состоянии сталь имеет более высокие механические характеристики после рекомендуемой термической обработки или нормализации? Объяснить причину.

3. Что такое закалка? Цели закалки сталей. Основные параметры процесса и их выбор (что для этого надо знать).

4. Среднетемпературный отпуск (температура, структура, стали, подвергающиеся среднему отпуску и механические свойства этих сталей после термической обработки).

1. Построить диаграмму изотермического распада аустенита с указанием структур и свойств. Изобразить ступенчатый способ закалки.

На рис. 1 показана диаграмма изотермического распада аустенита для доэвтектоидной стали. На ней приведены кривая начала выделения феррита, кривая начала и кривая конца превращения аустенита в перлит, а также горизонтали А₃, А₁, М_Н, и М_К.

Рис 1. Диаграмма изотермичяеского распада аустенита для доэвтектоидной стали (0,4 % С).

По этой диаграмме основные сведения об изотермическом превращении можно получить для данной стали при любой степени переохлаждения. Например, при переохлаждении до 650 С превращение начинается через некоторое время выведением из раствора феррита. Феррит выделяется в течение определённого времени, после чего начинается распад аустенита на перлит, который заканчивается на кривой, характеризующей конец превращения. Если быстро охладить аустенит до 550 С, то превращение начнётся прямо с образования перлита. Превращение при 550 С протекает значительно скорее, чем при 650 С.

Если взять не доэвтектоидную, а заэвтектоидную сталь, то при малых переохлаждениях распаду аустенита будет предшествовать предварительное выделение цементита.

Ступенчатая закалка (рис 2.).

Рис 2. Кривая охлаждения для ступенчатой закалки, нанесённая на диаграмму изотермического распада аустенита.

Деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит формирование структуры, то есть превращение аустенита в мартенсит. Разбивка охлаждения на две ступени уменьшает внутренние напряжения 1 рода, поэтому уменьшается и закалочная деформация.

При ступенчатой закалке, а также при закалке в двух средах длинномерных и плоских изделий (преимущественно инструмента) производится так называемая правка или рихтовка, то есть устранение коробления, вызванного термическими напряжениями при первом быстром охлаждении. Но здесь надо точно выбрать температуру деформирования. Она должна лежать между точками M_D и M_И, когда деформация легко осуществляется в связи с образованием мартенсита (используя так называемую мартенситную сверхпластичность).

2. Охарактеризовать стали 60А и У10 по качеству, структуре в равновесном состоянии, содержанию углерода, назначению. Рекомендовать термическую обработку этих сталей. В каком состоянии сталь имеет более высокие механические характеристики после рекомендуемой термической обработки или нормализации? Объяснить причину.

Сталь У10 – инструментальная сталь пониженной прокаливаемости. Свойств углеродистых инструментальных сталей, а также режимы их термической обработки зависят главным образом от содержания в стали углерода. В закалённой стали тетрагональность мартенмита и внутренние напряжения создают значительную хрупкость, поэтому после закалки отпуск является обязательным. Важнейшее технологичесое свойство – слабая прокаливаемость. Эта сталь должна закаливаться в воде. Инструмент из этой стали будет иметь незакалённаю сердцевину. Буква У показывает, что эта сталь углеродистая.

3. Что такое закалка? Цели закалки сталей. Основные параметры процесса и их выбор (что для этого надо знать).

Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

Закалка бывает объёмной (под закалку нагревают насквозь всё изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхностный) нагрев.

Закалка – нагрев выше критической точки А_С3 с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит распадается на феррит + цементит при А_r1. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температурах. Феррито-цементитная смесь по мере снижения А_r1 становится всё более мелко дисперсной и твёрдой. Если же скорость охлаждения была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение цементита и феррита не происходит, а аустенит ( -твёрдый раствор) превращается в мартенсит (пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе). Неполная закалка – термическая операция, при которой нагрев проводят до температуры, лежащей выше А_С1, но ниже А_С3 и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цементит).

= Выбор температуры закалки.

Температура закалки для сталей большинства марок определяется положением критических точек А₁ и А₃.

Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо-углерод. Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30-50 С выше А_С3, а для заэвтектоидной стали – на 30-50 С выше А_С1.

Повышение температуры закалки выше этих температур и вызванный этим рост зерна аустенита обнаруживаются в первую очередь в получении более грубой и крупноигольчатой структуры мартенсита, или грубого крупнокристаллического излома. Следствием такого строения является низкая вязкость.

При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше А_С1, но ниже А_С3 в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закалённом состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной.

Для заэвтектоидных сталей оптимальная температура закалки лежит в интервале между А_С1 и А_С3 и теоретически является неполной.

= Время нагрева.

Общее время нагрева складывается из времени нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре , следовательно

Величина зависит от нагревающей способности среды, от размеров и формы деталей, от их укладки в печь; зависит от скорости фазовых превращений, которая определяется степенью перенагрева выше критической точки и дисперсностью исходной структуры.

= Химическое воздействие нагревающей среды.

При высокой температуре происходит химическое взаимодействие поверхности металла с окружающей средой, причём особое значение имеют два процесса:

1) обезуглероживание стали, связанное с выгоранием углерода в поверхностных слоях (С+О₂→СО₂);

2) окисление стали, ведущее к образованию на поверхности окалины, окислов железа (2Fe+O₂→2FeO).

Интенсивность окисления и обезуглероживания стали зависит от температуры, состава стали и состава окружающей газовой среды. Процессы окисления и обезуглероживания – диффузионные, и естественно, что с повышением температуры они ускоряются.

= Закалочные среды.

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур (от температуры нагрева до комнатной температуры), а только в пределах 650-400 С, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив, быстрее всего превращается в феррито-цементитную смесь. Выше 650 С скорость превращения аустенита мала, и поэтому сталь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит. Интервал 650-400 С должен быть пройден быстро. В углеродистой стали ниже 400 С вновь начинается зона относительной устойчивости аустенита, охлаждение снова может быть медленным. Наконец, в мартенситном интервале, начиная с 200-300 С, особенно желательно замедленное охлаждение, чтобы к значительным структурным напряжениям не прибавились термические напряжения, возникающие в результате быстрого охлаждения.

= Прокаливаемость.

Под прокаливаемостью подразумевают глубину проникновения закалённой зоны.

Несквозная прокаливаемость объясняется тем, что при закалке деталь охлаждается быстрее с поверхности и медленнее – в сердцевине. У поверхности скорость охлаждения максимальна, в центре – минимальна.

Чем меньше , тем глубже прокаливаемость. Прокаливаемость, как и , тесно связана со скоростью превращения аустенита в перлит и, следовательно, с расположением кривой начала превращения на С-диаграмме.

Основные факторы, влияющие на скорость перлитной кристаллизации:

- состав аустенита. Все элементы, растворимые в аустените (за исключением кобальта), замедляют превращение.

- нерастворённые частицы (карбиды, оксиды, интерметаллические соединения). Эти частицы ускоряют превращение, так как являются дополнительными центрами кристаллизации и увеличивают ч.ц. при вращении аустенит→перлит.

- неоднородный аустенит. Он быстрее превращается в перлит, так как скорость превращения определяется в этом случае менее насыщенной частью твёрдого раствора.

- размер зерна аустенита. Увеличение размера зерна замедляет превращение, так как центры кристаллизации образуются преимущественно по границам зерна, а чем крупнее зерно, тем, следовательно, меньше суммарная протяжённость границ, тем меньше значения ч.ц.