Экзаменационный билет № 2

1. Основные принципы выбора легирующих элементов для получения заданной структуры и свойств в отливках из высоколегированных сталей. Структурная диаграмма Шеффлера.

Основным фактором, обеспечивающим заданный уровень механических и специальных свойств стали в отливках, является структура. Получение необходимой структуры при производстве отливок из высоколегированных сталей может быть обеспечено выбором сочетаний различных легирующих элементов. При этом, помимо основной задачи- достижения необходимого уровня свойств стали в отливках- необходимо учитывать наличие на производстве и стоимость ЛЭ.

В промышленности наибольшее применение нашли стали аустенитного, мартенситного, аустенитно- мартенситного, аустенитно-ферритного классов, имеющие в своей основе различные комбинации систем Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-Mn с дополнительным легированием другими элементами. Cr-ферритообразующий, а Ni и Mn- аустенитообразующие элементы. При одновременном использовании различных сочетаний этих элементов могут быть получены различные фазовые и структурные составляющие в сталях.

Выбор легирующих элементов обуславливается назначением отливок. Элементы, используемые для легирования сталей, классифицируются по строению кристаллографической решетки, по влиянию на температуру полиморфных превращений и по отношению к углероду.

Существует несколько типов структурных диаграмм, с помощью которых можно выбрать оптимальное сочетание ЛЭ, обеспечивающее получение заданной структуры в литом состоянии. Наиболее широко используется диаграмма Шеффлера, где по оси абсцисс отложена концентрация ферритообразующих элементов(E_Cr), а по оси ординат- концентрация аустенитообразующих элементов(E_Ni).

E_Ni = [%Ni] + [ % Co] + 30 ∙[%C] + 0,5 ∙ [% Mn] + 30 ∙ [% N] + 0,3 [% Cu];

E_Cr = [% Cr] + [% Mo] + 1,5 ∙ [% Si ] + 0,5 ∙ [% Nb]

где цифры, стоящие перед концентрацией элементов, показывают эффективность их взаимодействия на соответствующую структурную составляющую по сравнению с никелем и хромом.

Пример, необходимо оценить структуру стали 14Х18Н4ГЛ. E_Cr=18%,,

E_Ni = [%Ni] + [ % Co] + 30 ∙[%C] + 0,5 ∙ [% Mn] + 30 ∙ [% N] + 0,3 [% Cu]=4+30*0,14+0,5*4=10,2.

По диаграмме Шеффлера определяем, что сталь относится к аустенитно-мартенситному классу. Таким образом, для получения заданной структуры стали можно, исходя из наличия ЛЭ, подобрать необходимый легирующий комплекс.

Чтобы сэкономить на ЛЭ добавляют азот.

2. Технология плавки сталей в основных дуговых печах методом полного окисления. Все кол-во Mn в виде Fe-Mn

↓

Заправка Завалка Раскисление Окисл.период Восстанов.период Легир → Выпуск

Магнезитовый ↓Шлак Р ↓Шлак S и доводка и раскисл

порошок

Завалка: ст.лом, возврат, науглероживатель, окислитель, шлакообразующие.

3. Характеристика стабильного и метастабильного равновесия системы. Fe – c. Состав и свойства структурных составляющих.

Чугуны при кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному (рис. 1): либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояний Fe—Fe3C (белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe₃C), либо в соответствии со стабильной диаграммой Fe—C (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита).

В системе Fe—C графитная эвтектика (аустенит—графит) содержит 4,26 % С и образуется при 1153°С. По линии E' S' в интервале температур 1153–738°С выделяется вторичный графит. Эвтектоидное превращение протекает при 738 ° С с образованием эвтектоида (феррит + графит). Фазами являются однородные части сплава, ограниченные от других частей поверхностью раздела и имеющие одинаковый состав и одно и то же агрегатное состояние. В системах Fe – C и Fe – Fe₃ C(стабильная и метастабильная диаграммы состояния) различают следующие фазы:

1.Жидкий сплав, жидкий р-ор углерода в железе (Ж)

2.Феррит (Ф)- твердый р-ор углерода и других примесей в α- Fe. Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727 °С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539 °С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499 °С (точка J).Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок, пластичен магнитен до 768 °С.

3.Аустенит (А)- твердый р-ор углерода и других примесей в γ- Fe. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности.

4.Цементит(Ц)- это химическое соединение железа с углеродом- карбид железа Fe₃ C. В цементите содержится 6,67%С. Особенности цементита- высокая твердость и очень малая пластичность(высокая хрупкость). Цементит является метостабильной фазой. В условиях равновесия в славах с высоким содержанием углерода образуется графит.

5.Графит имеет гексагональную кристаллическую решетку, мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью. Графит образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы.

В сплавах Fe – C существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная-цементит и стабильная-графит.

Структурными составляющими являются феррит, аустенит, цементит, графит, эвтектика(А+Ц или А+Г) и эвтектоид- перлит (Ф+Ц₁)

Вероятность образования цементита из жидкой фазы значительно выше, чем графита.

Движущей силой процесса графитизации является стремление системы уменьшить запас

свободной энергии. Цементит термодинамически менее устойчивая фаза, чем графит.

Однако разница между температурами образования цементита и графита невелика, и при

сравнительно небольшом переохлаждении будет происходить кристаллизация цементита,

а не графита.

Графит образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале

температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном

охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1147 0 С происходит

образование цементита.