Задания на контрольные работы №1, №2 (стр. 7 )

В сплаве с содержанием углерода 0,4% в соответствии с диаграммой имеются 5 точек, характеризующих фазовые превращения при понижении температуры (см. рис.1).

В точке 1 t=1500оС начинается кристаллизация с выделением из нее феррита. Правило фаз показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур и указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе. Число степеней свободы – это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии. В интервале температур , С=2+1-2=1

Охлаждение до (точка 2) приводит к изменению химического состава жидкой фазы и феррита. В точке 2 сплав испытывает перитектическое превращение, С=2+1-3=0.

или

.

Ниже линии JB (точка 2) сплав будет двухфазным: А+Ж, С=2+1-2=1. Кристаллизация закончится по достижении температур, соответствующих линии солидус JЕ. После затвердевания сплав приобретает однофазную структуру (0,4 – содержание углерода в аустените, %). Точка 3 на диаграмме – температура конца кристаллизации составляет .

Охлаждение сплава до точки 4 t4=820oC приводит к измельчению зерен аустенита без изменения химического состава. С дальнейшим понижением температуры по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут, превращаясь в зерна. Количество А (аустенита) уменьшается, а содержание в нем углерода увеличивается, так как Ф (феррит) почти не содержит углерода, С=2+1-2=1.

На линии перлитных превращений (точка 5) содержание углерода в аустените достигает 0,8%. Аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита вторичного, образующих механическую смесь под названием перлит.

.

Эвтектоидное превращение протекает при постоянной температуре (площадка на кривой охлаждения) . При наличии 3 фаз: - система нонвариантная С=2+1-3=0. Ниже точки 5 сплав имеет структуру: феррит + перлит, и эта структура сохраняется и до температуры окружающей среды (комнатной температуры), С=2+1-2=1. Сплав такого фазового состава называется доэвтектоидной сталью и содержит углерода 0,4%.

Пример решения задачи по термической обработке детали

из углеродистой стали

Термическая обработка представляет собой комплекс операций, выполняемых последовательно: нагрев, выдержка и охлаждение.

Параметрами процесса ТО детали и инструмента являются:

·  скорость нагрева до температуры ( );

·  максимальная температура нагрева сплава определяется по диаграмме Fe-Fe3C для углеродистых сталей и по ГОСТ для легированных сталей;

·  время выдержки сплава при температуре нагрева ();

·  скорость охлаждения нагретой детали ().

Технически допустимая (технологическая) скорость нагрева () устанавливается в зависимости от химического состава стали, структуры, конфигурации изделий, интервала температур нагрева. Скорость нагрева определяется теплопроводностью металла. Изделия из углеродистой стали толщиной до 100 – 120 мм нагревают с любой скоростью, скорость нагрева изделий из легированных сталей в 2 –3 раза меньше.

Время выдержки при температуре нагрева () необходимо для завершения процессов фазовых (получение аустенита однородного) и структурных превращений по всему объему изделий.

Охлаждение деталей производится для отвода теплоты, осуществляемого теплопроводностью и конвекцией. В процессе охлаждения формируется структура равновесная (отжиг, нормализация) или неравновесная (закалка полная или неполная). Для получения структуры равновесной скорость охлаждения должна быть минимальной, а для неравновесной – максимальной. Критической скоростью закалки называется наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит (процесс бездиффузионный). Критическая скорость закалки является функцией химического состава стали. Низкоуглеродистые стали (С<0,3%) в практических условиях охлаждения образуют мартенсит реечный (пакетный) с минимальной твердостью. Двойникованный (пластинчатый) мартенсит образуется в сталях с содержанием С>0,3%, между пластинами мартенсита при комнатной температуре сохраняется остаточный аустенит. Пластинчатый мартенсит имеет максимальную твердость.

Закалка на мартенсит является промежуточной операцией ТО. Закаленные детали подвергают повторному нагреву ниже t=727оC, выдержке при нагреве и охлаждению. Производят отпуск обычно на воздухе. Отпуск обеспечивает уменьшение внутренних напряжений после закаливания с образованием мартенсита (низкий отпуск) и получения структур, приближающихся к структурам равновесным типа троостита (средний отпуск) и сорбита (высокий отпуск).

Многолетней эксплуатационо–производственной практикой выделены три основные группы изделий, требующие «своих» специфических вязкостно–прочностных комплексов и других технических характеристик:

·  режущие и измерительные инструменты;

·  штампы для холодной штамповки (HRC>58 – структура мартенсит или мартенсит с карбидами);

·  рессоры, пружины ( 40<HRC<58 – структура троостит);

·  детали и изделия, сочетающие удовлетворительные прочностные свойства с максимальной вязкостью ( HRC <40 – структура сорбит).

Инструмент из стали У12 (заэвтектоидная сталь) содержит углерода 1,2 %, в равновесном состоянии имеет структуру . При промышленных скоростях нагрева под закалку перлит вплоть до температуры нагрева , сохраняет пластинчатое строение. При температуре в стали начинается превращение перлита в аустенит. Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях феррит-цементит. Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного перехода и растворения в кристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, по завершении превращения А (аустенит) сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется определенное время. Превращение при температуре сопровождается измельчением зерна.

Нагрев от до вызывает растворение избыточного цементита в аустените. Процесс сопровождается диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентраций и небольшим укрупнением кристаллов аустенита. Дальнейший нагрев стали в однофазной аустенитной области приводит к дальнейшему росту зерна аустенита – происходит процесс собирательной рекристаллизации. Чем выше температура нагрева и чем длительнее выдержка, тем крупнее будут кристаллы аустенита.

Сталь У12 подвергают неполной закалке для сохранения цементита вторичного в структуре. Нагрев производят до температуры +( ¸ 50) = 727+40=767, температура отмечена на стальном уголке диаграммы как (1 этап), рис.2.

 

Термическая обработка включает операции (рис.3): неполная закалка (1 – нагрев, 2 – выдержка при , 3 – быстрое охлаждение) и низкий отпуск (4 – нагрев, 5 – выдержка при , 6 – охлаждение).