Курсовая работа по материаловедению. Вариант №9

Подождите немного. Документ загружается.

скоростях деформирования металл способен деформироваться без

разрушения на десятки процентов.

Вопрос №2: Вычертите диаграмму состояния железо-карбид

железа, укажите структурные составляющие во всех областях

диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания

в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правил

фаз) для сплава, содержащего 3,3%.

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое

большое значение имеет диаграмма состояния системы Fe-C. Это

объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют

железоуглеродистые сплавы.

Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов:

метастабильная, характеризующая превращения в системе Fe-Fe

C, и

стабильная, характеризующая превращения в системе Fe-C (рис. 2.1,

а).

Железо и углерод – элементы полиморфные. Железо с

температурой плавления 1539°С имеет две модификации – α и γ.

Модификации Fe

существует при температурах до 911°С и от 1392 до

1539°С, имеет ОЦК решетку. Важной особенностью Fe

является его

ферромагнетизм ниже температуры 768°С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe

существует в интервале температур от 911 до

1392°С, и имеет ГЦК решетку, более компактную чем ОЦК.

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий

раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде

графита.

Феррит (обозначается Ф или α) – твердый раствор внедрения

углерода в Fe

. Различают высокотемпературный и

низкотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в

низкотемпературном феррите 0,02%, в высокотемпературном – 0,1%.

Это обусловлено малыми размерами межатомных пор ОЦК решетки.

Большая часть атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах

(вакансиях и дислокациях). Феррит – мягкая, пластичная фаза со

следующими механическими свойствами: σ

= 300Мпа; δ = 40%; ψ =

70%; КCU = 2,5 МДж/м

; твердость – 80 – 100 HB.

Аустенит (обозначается А или γ) – твердый раствор внедрения

углерода в Fe

. Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой

больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Fe

значительно больше и достигает 2,14%. Аустенит пластичен, но

прочнее феррита (160 – 200HB) при 20 - 25°С.

Цементит (обозначается Ц) – карбид железа (почти постоянного

состава) Fe

C, содержит 6,69% С и имеет сложную ромбическую

решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800HB) и хрупок.

Температура плавления цементита трудно определить в связи с его

распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена

равной 1260°С.

Графит – углерод, выделяющийся в железо углеродистых

сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную

кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек,

малопрочен, мягок.

Диаграмма состояния Fe – Fe

C характеризует фазовый состав и

превращения в системе Fe – Fe

C. Приведем координаты характерных точек

диаграммы.

Обозначение

точки

t, °С C, %

A 1539 0

H 1499 0,1

J 1499 0,16

B 1499 0,51

N 1392 0

D 1260 6,69

E 1147 2,14

C 1147 4,3

F 1147 6,69

G 911 0

P 727 0,02

S 727 0,8

K 727 6,69

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, D –

температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют

температуре полиморфных превращений железа. Точки H и P

характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в

высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е

определяет наибольшую концентрация углерода в аустените.

Превращения в сплавах системы Fe – Fe

C происходят как при

затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная

кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на

линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная

кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в

другую и переменой растворяемости углерода в аустените и феррите;

при понижении температуры эта растворимость уменьшается.

Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде

цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации

углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет

почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKL).

Выделяющийся из жидкости цементит называют первичным, из

аустенита – вторичным, из феррита – третичным. Соответственно на

диаграмме состояния CD – линия первичного цементита, ES – линия

вторичного цементита, PQ – линия третичного цементита. В системе

Fe – Fe

C происходят три изометрических превращения:

 перитектическое превращение на линии HJB (1499°С)

+ Ж

→ А

 эвтектическое превращение на линии ECF (1147°С)

→ [А

+ Ц]

 эвтектоидное превращение на линии PSK (727°С)

→ [Ф

+Ц]

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется

ледебуритом, эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом.

Эвтектоид – перлит (0,8%С) и эвтектику – ледебурит (4,3%С)

рассматривают как самостоятельные структурные составляющие,

оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще

всего имеет пластинчатое состояние строение и является прочной

структурной составляющей: σ

= 300…800Мпа; σ

0,2

= 450МПа; δ ≤

16%;; твердость – 180 – 220 HB. При охлаждении ледебурита до

температуры ниже линии SK входящий в него аустенит превращается

в перлит, и при 20 - 25°С ледебурит представляет собой смесь

цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит

образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита.

Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости

(> 600HB) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов

обуславливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет

обработку резанием.

Для построения кривой охлаждения воспользуемся правилом фаз.

На рис.2.1 представлена кривая охлаждения доэвтектического

сплава содержащего 3,3%С. Особенность первичной кристаллизации

такого сплава является то, что в нем она заканчивается эвтектическим

превращением при 1147°С, когда жидкость концентрации 4,3%С дает

две твердые фазы – аустенит (2,14%С) и цементит, т.е. образуется

ледебурит. Начало кристаллизации рассматриваемого сплава

определяется точкой 0, лежащей на линии ликвидус. При

последующем охлаждении происходит выделение кристаллов

аустенита переменного состава, концентрация которых определяется

линией солидус, тогда как жидкость имеет концентрацию в

соответствии с положением линии ликвидус.

Количество жидкой и твердой фазы в двухфазной области

определяется как пропорция соотношения отрезков проекций точки

концентрации 3,3%С на линии BC и JE. В точке 2 при 1147°С

количество жидкости соответствует отрезку Е – 1 и жидкость имеет

концентрацию точки С (4,3%С).

сb



фазы ттвердоКоличество

фазы жидкой Количество

При этой температуре кристаллизуется эвтектика по реакции

→ А

+ Ц

Кристаллизацией эвтектики заканчивается первичная

кристаллизация этого сплава. В результате первичной

кристаллизации структура состоит из кристаллов первичного

аустенита и цементита.

При дальнейшем охлаждении первичные выделения аустенита

изменяют свою концентрации от точки 1’ до точки 2 от 2,14 до 0,8%С,

и в точке 2 происходит перлитное превращение. Структура такого

сплава состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.

Вопрос №3: В результате термической обработки втулки

должны получить повышенную прочность по всему сечению

(твердость НВ250-280). Для их изготовления выбрана сталь 40ХГР:

расшифруйте состав и определите, к какой группе относится

данная сталь по назначению.

Сталь 40ХГР содержит углерода около 0,40%, хрома ≤ 1,5%,

марганца ≤ 1,5%, бора ≤ 1,5%. По качеству данная сталь относится к

качественным (S + P ≤ 0,07%).

По назначению сталь 40ХГР относиться к конструкционным

улучшаемым сталям. Они идут на изготовление деталей машин.

Улучшаемые стали, подвергаются закалке и отпуску, практически не

обязательно высокому.

По содержанию углерода рассматриваемую сталь можно отнести

к среднеуглеродистым.

По ГОСТ 4543-71 сталь 40ХГР можно охарактеризовать

Сталь Группа Содержание элементов % Критический

диаметр,

мм

Температу

ра

полухрупко

сти Т

, °С

C Mn Si Cr Ni Дру-

гие

40ХГР

|||

0,37

0,45

0,7

0,1

−

0,8

0,1

−

0,002-

0,005

30 -20

В зависимости от условий эксплуатации легированные стали

применяются после простейшего вида термической обработки

(нормализации) или двойной термической обработки (закалка +

отпуск). В зависимости от марки стали и режима термической

обработки могут быть получены разные механические свойства.

Очевидно, что основной для изучения термической обработки

является диаграмма железо – углерод (рис 2.2). Верхней

температурной границей при термической обработке является линия

солидус, поэтому процессы первичной кристаллизации в данном

случае не рассматриваются.

Приведем общепринятые обозначения критических точек. Они

обозначаются буквой А. Нижняя критическая точка, обозначается А

лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенит ↔

перлит. Верхняя критическая точка А

лежит на линии GSE и

соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в

доэвтектоидных сталях или цементита вторичного в заэвтектоидных

сталях.

Рис 2.2