Работа № 1 "анализ диаграммы состояний двухкомпонентных сплавов и химических соединений"

РАБОТА № 1 "АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЙ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СПЛАВОВ И ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ"

1. Цель и задачи работы

Диаграммы состояния характеризуют процессы затвердевания и структурного изменения сплавов различных систем и дают наглядное представление о фазах в любом сплаве данной системы. Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, то есть состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии.

Диаграммы состояния на практике используют для выбора условий термической обработки сплавов, их ковки, штамповки, сварки и тому подобное.

Целью работы является закрепление и углубление знаний студента по методам анализа диаграмм состояния системы сплавов, их структурно-фазовым превращениям при нагреве и охлаждении, условиям формирования физико-механических свойств исследуемого сплава.

Исходными данными для работы служат: индивидуальное задание, лекционный материал, лабораторные работы и дополнительная литература.

При выполнении работы студенту предстоит решить следующие задачи:

а) дать общую характеристику заданной диаграммы состояния системы сплавов;

б) для заданного сплава, в соответствии с законом Гиббса, описать условия сосуществования устойчивых фаз и, в соответствии с правилом отрезков (рычага), количество обеих фаз и их концентрацию (для условий одновременного существования двух фаз);

в) для заданного сплава построить кривую охлаждения, записать реакции превращения на характерных участках и нарисовать схему кинетики структурных превращений сплава при охлаждении.

Перечень индивидуальных заданий приведен в табл. 1. Номер индивидуального задания совпадает с номером сквозного списка студента.

2. Содержание и объем работы

Работа состоит из графической части объемом 1-2 листа формата А4 и расчетно-пояснительной записки объемом 2-4 листа формата А4. Графическая часть включает:

а) общий вид диаграммы состояния системы сплавов с указанием заданного сплава;

б) кривую охлаждения заданного сплава с указанием реакций превращения;

в) схему кинетики структурных превращений сплава при охлаждении.

Таблица 1 Индивидуальное задание к работе № 1

№ варианта	Диаграмма состояния	Сплав, содержащий	Литература, стр., рисунок
1	Fe-C	0.015%C	[1],149,134
2	Cu-Pb	10%Pb	[1],511,415б
3	Fe-Mo	20%Mo	[1],307,277
4	Pb-Sb	30%Sb	[1],525,431
5	Fe-C	0.15%C	[1],149,134
6	Fe-Cr	5%Cr	[1],307,276
7	Fe-S	7.3%S	[1],185,152
8	Cu-Pb	99%Pb	[1],511,415б
9	Fe-C	0.3%C	[1],149,134
10	Fe-S	33%S	[1],165,152
11	Fe-Mn	1 %Mn	[1],306,274
12	Fe-Ni	4%Ni	[1],305,273
13	Cu-S	12%S	[1],511,416б
14	Fe-C	0.7%C	[1],149,134
15	Fe-Si	1 %Si	[1],307,278
16	Cu-Zn	35%Zn	[1],513,418
17	Fe-P	0.1%P	[1],164,150
18	Fe-Mn	10%Mn	[1],306,274
19	Cu-Be	3%Be	[1],521,428
20	Fe-Cr	60%Cr	[1],307,276
21	Fe-C	1%C	[1],149,134
22	Cu-Sn	20%Sn	[1],517,421
23	Fe-Ni	20%Ni	[1],305,273
24	Cu-Ag	30%Ag	[2],91,63
25	Mg-Ca	40%Ca	[2],91,64
26	Fe-P	4%P	[1],164,150
27	Fe-C	5.5%C	[1],149,134
28	Cu-Al	11%A1	[1],520,425
29	Fe-Si	19%Si	[1],307,278
30	Sn-Sb	80%Sb	[1],526,432
31	Cu-Zn	88%Zn	[1],513,418

Примечание: вес исследуемого сплава Q=500 кг.

Расчетно-пояснительная записка по содержанию должна соответствовать примеру, рассмотренному в подразделе 3 настоящих методических указаний и быть оформлена в соответствии с требованиями /9/.

3. Последовательность выполнения работы.

Работу рекомендуется выполнить в последовательности, указанной в примере.

Пример. В соответствии с индивидуальным заданием предлагается выполнить анализ диаграммы состояния системы сплавов Рb-Sb и состояния сплава, содержащего 5% сурьмы.

Диаграмма состояния системы сплавов Рb-Sb

Рис. 1.

Показанная на рис.1 диаграмма состояния системы сплавов Рb-Sb относится к диаграммам состояния 1 типа, которые характеризуют системы, компоненты (свинец - сурьма) которых в жидком состоянии полностью взаимно растворяются, а в твердом состоянии образуют механическую смесь кристаллов обоих компонентов.

Можно увидеть, что начало затвердевания различных сплавов системы происходит при различных температурах, а окончание затвердевания — при одной температуре Т=246°С для всей системы сплавов и что только у одного сплава (13%Sb) и у чистых компонентов — по одной критической точке, каждая из которых отвечает температуре полного затвердевания. Выше линии ликвидуса АВС все сплавы находятся в жидком состоянии. Ниже линии солидус DВЕ все сплавы находятся в твердом состоянии. В точке В при содержании 13%Sb и при температуре 246°С кристаллизация свинца и сурьмы происходит одновременно, по эвтектической реакции, с образованием тонкой механической смеси кристаллов компонентов (двух фаз). Сплавы, содержащие меньше 13%Sb, называются доэвтектическими, а содержащие больше 13%Sb —заэвтектическими.

Доэвтектический сплав, содержащий 5%Sb, выше первой критической точки 1

(см. рис.1) находится в жидком состоянии. Если сплав медленно охлаждать, то кривая

охлаждения для него будет иметь вид, показанный на рис.2.

Рис. 2.

На этой кривой участок 0-1 соответствует охлаждению жидкого сплава, участок 1-2 - выделению кристаллов Рb, участок 2-2' - совместному выделению кристаллов Рb и Sb и участок 2'-3 - охлаждению твердого сплава.

Действительно, при температуре выше точки 1, сплав содержащий 5%Sb находится в жидком состоянии (рис.3). При охлаждении в точке 1 из жидкого сплава выпадают центры кристаллизации чистого свинца, так как свинец в этом сплаве находится в количестве, избыточном по сравнению с эвтектическим составом.

Строение сплава в разные моменты охлаждения

Рис. 3.

При дальнейшем охлаждении между точками 1 и 2 продолжается рост имеющихся кристаллов свинца и выпадение новых, поэтому количество свинца в жидком (маточном растворе) постепенно уменьшается, и около точки 2 маточный раствор имеет эвтектический состав - (Pb+Sb). В точке 2, при постоянной температуре 246°С

происходит кристаллизация всего оставшегося маточного раствора эвтектического состава. Ниже точки Т сплав находится в твердом состоянии и представляет смесь кристаллов избыточного свинца и эвтектики (Pb+Sb) (см. рис.3).

Выше изложенное подтверждается результатами расчета в соответствии с правилом фаз. Кристаллизация сплава протекает при переменной температуре (от точки 1 до точки 2). В данном случае компонентов К=2, число фаз f=2 (жидкость и кристаллы свинца) и число степеней свободы будет равно:

С=К-f+1=2-2+1=1.

Это означает, что при каждой температуре, на участке 1-2, фазы имеют определенную концентрацию. Одновременная кристаллизация сурьмы и свинца (участок 2-2') должна протекать при постоянной температуре 246°C, так как при этой температуре имеются три фазы (жидкость, кристаллы сурьмы и свинца) и число степеней свободы равно нулю:

С = К-f+1=2-3+1=0.

Это состояние трехфазного (нонвариантного) равновесия, то есть такое равновесие может быть лишь при определенной (постоянной) температуре и составе фаз.

На участке 2'-3 происходит охлаждение при переменной температуре двухфазного твердого сплава, а число степеней свободы будет равно:

C=K-f+1=2-2+1=1.

В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого воспользуемся правилом рычага (отрезков). Например, в точке а, показывающей состояние сплава, содержащего 5%Sb и 95%Рb при температуре t1=275°С (pиc.4) сплав находится в двухфазном состоянии (жидкость и кристаллы Pb). Концентрация жидкого раствора в любой точке отрезка 1-2 определяется проекцией данной точки на линию ликвидуса: так, в точке 1 маточный раствор будет содержать 5%Sb, в точке а -9,0%Sb, а в точке 2 - 13%Sb. Таким образом, состав маточного раствора данного сплава при затвердевании определяется точками на линии ликвидуса в зависимости от температуры. Соотношение жидкой и твердой фаз в точке а определяется плечами горизонтального рычага, проведенного через данную точку. Так, вес жидкой фазы соответствует плечу bа, вес твердой фазы - плечу ас рычага bс, а вес всего сплава - длине рычага bс. В качестве масштаба можно использовать шкалу процентного содержания сурьмы. Пользуясь этой шкалой, находим, что жидкая фаза в точке а составляет 5/9, а твердая - (1-5/9) или 4/9 от веса сплава. При дальнейшем охлаждении количество жидкой фазы будет уменьшаться, и к точке 2 составит 5/13 от всего сплава, то есть содержание эвтектики в данном сплаве составит 5/13 веса сплава. Если

Часть диаграммы состояния системы сплавов Рb-Sb

Рис. 4.

обозначить через Q вес взятого сплава, через Ql- вес жидкой фазы, а через Qs - вес твердой фазы, то по правилу рычага можно написать следующие соотношения:

РАБОТА №2. "ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ЗОНЫ

ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ".

Высокие скорости охлаждения (W0) при сварке способствуют появлению в зоне термического влияния (ЗТВ) сварных соединений углеродистых и низколегированных сталей неравновесных закалочных структур. При формировании мартенситных и мартенситно-бейнитных структур возрастает опасность появления холодных трещин. Низкой вязкостью обладают и участки крупнозернистого перлита и верхнего бейнита, образующиеся при малых скоростях охлаждения. Наилучшим сочетанием свойств при отсутствии склонности к трещинам обладают структуры нижнего бейнита. Поэтому оптимальные скорости охлаждения лежат в интервале значений, приводящих к получению этого типа структур. Получение оптимальных структур и свойств достигается подбором термического режима сварки за счет введения подогрева и (или) изменения погонной энергии сварочного источника.

Для ориентировочной оценки структуры и свойств ЗТВ удобно использовать универсальную структурную диаграмму, показанную на рис.5.

Структурная диаграмма для зоны термического влияния углеродистых и низколегированных сталей

Рис. 5.

На диаграмме выделены три структурные области: ферритно-перлитная Ф+П, область промежуточного превращения Пр (феррит + перлит + бейнит + мартенсит) и мартенситная М. Вся область Пр разделена на два участка: М<50% и М>50%.

1. Цель и задачи работы.

Целью работы является закрепление и углубление знаний студента по влиянию условий охлаждения на распад аустенита в ЗТВ сварного соединения.

При выполнении работы предусматривается решение следующих задач:

1. Изучение универсальной структурной диаграммы для ЗТВ углеродистых и низколегированных сталей.

2. Анализ влияния величины скорости охлаждения на конечную структуру металла ЗТВ сварного соединения.

3. Оценка влияния термического режима сварки на структуру и свойства металла ЗТВ.

2. Объем и содержание работы.

Работа выполняется в виде расчетно-пояснительной записки объемом 2-4 листа, формата А4, содержащей: краткую характеристику анализируемой стали (химический состав, назначение, область применения и условия работы, и т. п.), формулы и результаты расчетов; структурную диаграмму с нанесенными расчетными точками; кривые влияния W0 на структуру металла ЗТВ; выводы и предложения; список литературы.

3. Последовательность выполнения работы.

Каждый студент получает индивидуальное задание в соответствии с вариантом, указанном в Табл.2. На первом этапе по химическому составу заданной марки стали рассчитывается эквивалентное содержание углерода Сэкв по формуле:

Далее, с помощью структурной диаграммы, с учетом рассчитанной величины Сэкв и заданного допустимого количества мартенсита, графически определяется допустимая величина скорости охлаждения Wод при температуре наименьшей устойчивости аустенита Т=600..500°C. Используя структурную диаграмму и данные таблицы 3, вычерчивается в полулогарифмических координатах зависимость структуры металла ЗТВ от скорости охлаждения W0 по типу, показанному на рис.6.

Таблица №2.

Содержание индивидуального задания к работе №2.

№ вариа нта	Марка стали	Химический состав, %	Допустимое количество мартенсита, %, по условию:
		С	Si	Mn	Сr	Ni	Mo	S	Р	Прочие	сохранение уд. вязкости	трещино-стойкости
1	40Х	0,41	0,25	0,71	1,06	0,22	0,02 i	0,024	0,031	0,17Cu	—	55**
2	23Г	0,23	0,3	1,64	0,14	0,20	0,03	0,025	0,026	—	—	45
3	40ХГСА	0,42	1,25	1,08	1,34	0,33	—	0,012	0,015	—	—	40*
4	ВСт.5сп	0,35	0,24	0,83	—	—	—	0,04	0,034	0,024N2 0,045О2	35	—
5	45	0,50	0,26	0,58	0,16	0,18	—	0,021	0,018	—	—	30
6	10Г2Д	0,09	0,33	1,28	—	—	—	0,031	0,023	0,04Nb	10	—
7	35ХГСА	0,38	1,32	0,99	1,16	0,16	—	0,022	0,020	—	—	70**
8	20НГМ	0,25	0,31	1,04	0,17	0,72	0,25	0,026	0,022	—	90	—
9	08ХГСНД	0,08	0,97	0,65	0,82	0,45	—	0,014	0,003	—	20	—
10	20ХГС	0,24	0,99	0,83	0,93	0,17	—	0,019	0,025	—	—	35
11	35	0,39	0,32	0,69	0,22	0,13	—	0,017	0,021	—	30	—
12	12ХГСМФ	0,13	0,95	0,72	0,87	—	0,62	0,015	0,022	—	20	—
13	45ХМА	0,46	0,29	0,60	0,93	0,30	0,35	0,012	0,016	—	—	90*
14	12ХН2	0,17	0,28	0,55	1,02	1,64	—	0,022	0,026	V<0,01	—	75
15	30ХГСА	0,30	1,12	0,93	1,03	0,28	—	0,017	0,021	0,14Cu	—	20**

Продолжение таблицы №2

16	18Г2АФпс	0,19	0,11	1,5	—	—	—	0,029	0,011	0,10V; 0,021N2	30	—
17	12МХ	0,13	0,26	0,55	0,52	—	0,50	—	—	—	50	—
18	35ХВФА	0,38	0,36	0,60	1,16	0,19	—	0,030	0,024	0,4W; 0,12V	—	45
19	35XM	0,36	0,23	0,54	1,03	0,15	0,60	0,03	0,02	—	40	—
20	35ХМФА	0,36	0,31	0,51	1,13	0,22	0,30	0,030	0,024	0,11V	—	60
21	20Х2МФ	0,22	0,15	0,37	2,02	0,23	0,31	0,031	0,025	0,51W; 0,57V	—	20*
22	16Х2,5МВФ	0,16	0,13	0,32	2,70	0,19	0,47	0,027	0,018	0,60W; 0,60V	— 10	10
23	10ХГ2Н	0,10	0,33	1,60	0,28	1,08	—	0,027	0,026	0,07Cu	90	—
24	17ХГ2САФР	0,16	0,52	1,45	0,81	—	—	0,024	0,016	0,11V; 0,003B	5	—
25	12ХГНМ	0,10	0,27	0,74	0,61	0,56	—	0,011	0,017	—	30	—
26	15ХГНМ	0,16	0,37	1,12	0,86	0,79	—	0,018	0,020	—	20	—
27	30Г2Л	0,29	0,28	1,48	—	—	—	0,04	0,04	—	20	—
28	30ХМА	0,30	0,22	0,64	1,01	0,11	0,24	0,012	0,011	0,19Cu	15	—
29	25H3	0,30	0,32	0,51	0,07	3,03	—	0,007	0,011	—	—	85
30	20ХГСА	0,22	1,12	0,91	0,87	0,21	—	0,017	0,023	0,15Cu	—	30

* При условии сопутствующего подогрева не ниже 250°С;

** При условии сопутствующего подогрева не ниже 100°С.

Таблица №3.

Структура сталей

№ варианта	Марка стали	Структурные составляющие	Критическая скорость охлаждения Wk град/сек
Исходное состояние, %	Промежуточного превращения при охлаждении
1	40Х	90П+10Ф	Ф+(П+Б)+М	50-60
2	23Г	55П+45Ф	Ф+(Б+П)+М	80-100
3	40ХГСА	90П+10Ф	Ф+(П+Б)+М	40-50
4	ВСт.5сп	40П+60Ф	Ф+(П+Б)+М	400-500
5 6 7 К	45	75П+25Ф	Ф+(П+Б)+М	100-500
6	10Г2Б	10П+90Ф	Ф+П+(Б+М)	100-150
7	35ХГСА	80П+20Ф	Ф+(П+Б)+М	500-600
8	20НГМ	80П-20Ф	Ф+(Б+П)+М	60
9	08ХГСНД	35П+65Ф	Ф+(П+Б)+М	70-80
10	20ХГС	82П+18Ф	Ф+(П+Б)+М	400-500
11	35	45П+55Ф	Ф+(П+Б)+М	100
12	12ХГСМФ	22П+78Ф	Ф+(П+Б)+М	100-150
13	45ХМА	85П+15Ф	Ф+(П+Б)+М	100-200
14	12XH2	70П+30Ф	Ф+(П+Б)+М	30-40
15	30ХГСА	88П+12Ф	Ф+(Б+П)+М	80-100
16	18Г2АФпс	40П+60Ф	Ф+(П+Б)+М	60-80
17	12MX	35П+65Ф	Ф+(П+Б)+М	150-200
18	35ХВФА 35ХВФА	65П+35Ф	Ф+(Б+П)+М	200
19	35ХМ	80Б+20Ф	Ф+Б+М	150
20 2Г ' ""1	35ХМФА	70П+30Ф	Ф+(Б+П)+M	60-80
21	20Х2МФ	75Б+25Ф	Ф+Б+М	40-50
22	16Х2,5МВФ	70Б+30Ф	Ф+Б+М	60
23	10ХГ2Н	40П+60Ф	Ф+(П+Б)+М	250
24	17ХГ2САФР	60П+40Ф	Ф+(П+Б)+М	200
25	12ХГНМ	55П+45Ф	Ф+(П+Б)+М	400-500
26	15XГНM	80П+20Ф	Ф+(П+Б)+М	200-400
27	30Г2Л	75П+25Ф	Ф+(П+Б)+М	200-300
28	30ХМА	85П+15Ф	Ф+(Б+П)+М	100-120
29	25Н3	55П+45Ф	Ф+(П+Б)+М	150-250
30	20ХГСА	85П+15Ф	Ф+(П+Б)+М	100

Влияние скорости охлаждения на структуру ЗТВ стали МСт.5Гпс (Сэкв=0,453)

Рис. 6.

Выполняется краткий анализ влияния величины скорости охлаждения на структуру и свойства металла ЗТВ в широком диапазоне W0.

Используя формулу , устанавливающую связь основного параметра режима скорости охлаждения W0=Wод металла ЗТВ при температуре Т наименьшей устойчивости аустенита с погонной энергией дуги (для случая сварки листов в стык в один проход), рассчитывается величина погонной энергии:

,

где: q/Vсв = hUI/Vсв – погонная энергия дуги, Вт×сек/см;

l=(0,38-0,42) – коэффициент теплопроводности, Вт/(см×град);

Сg = (4,1-4,5) – объемная теплоемкость, Дж/(см3×град);

То - температура подогрева при сварке, град. (при отсутствии подогрева То = 20 °С);

d - толщина свариваемых листов, см (для каждого варианта d равна номеру варианта,

например, вариант №14 означает d=14 см);

W0 - скорость охлаждения, град/сек.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев . - М.: Металлургия, 1986, 542 с.

2. Никифоров металлов и конструкционные материалы. - М.: Высшая школа, 1968, 360 с.

3. Лебедев для определения структуры околошовной зоны углеродистых и низколегированных сталей. - Сварочное производство, 1974,№7,с.55-56.

4. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке. Атлас /, - М.: Наука, 1972. 219 с.

5. Электродуговая сварка сталей. Справочник/, , - Киев.: Наукова думка, 1975, 480 с.

6. Металлография железа. Справочник. Пер. с нем. / и др. - М.: Металлургия, 1985, 248 с.

7. Сварка в машиностроении. Справочник. В 4-х т. /Редкол.: и др. - М.: Машиностроение, 1978 - т. 2 /Под ред. 1978, 462 с.

8. Ворновицкий для сварки оборудования тепловых электростанций. - М.: Энергомашиздат, 1983, 96 с.

9.. Общие требования и правила оформления текстовых документов в учебном процессе. Новочеркасск: Новочерк. гос. техн. ун-т, 1994, 24 с.