Лабораторная работа №3 на тему: "Диаграмма Fe-c и структура железоуглеродистых сплавов".

Ответы на контрольные вопросы:

1) Состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды

2)Макро- и микроструктура.

3) Зерна: Феррита, перлита, цементита, аустенита.

4) Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод. По диаграмме состояния системы железо - углерод судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства.

5) На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором образуется цементит Fе3С.

6) Легированными называют стали, в которых, кроме железа, углерода, случайных примесей и технологических добавок, содержатся легирующие элементы для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются марганец, кремний, хром, никель, вольфрам, молибден и др.

Легированные стали делят на низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %,среднелегированные – 2,5 – 10,0 % и высоколегированные – более 10 %.

7) Легированные стали в зависимости от структуры, получаемой после нагрева до 900°С и охлаждения на воздухе (т.е. после нормализации), подразделяются на пять классов; 1. перлитный; 2. мартенситный; 3. аустенитный; 4. ферритный; 5. карбидный,

8) Стали перлитного класса характеризуются небольшим содержанием легирующих элементов (менее 5...7%). Для них, как и для углеродистых сталей, кривая скорости охлаждения при нормализации будет пересекать С-кривые перлитного распада. Следовательно, будут получаться структуры перлитного типа: перлит, сорбит, тростит.

9) Стали мартенситного класса содержат большее количество легирующих элементов (обычно 7... 15 %). В присутствии никеля, даже при общем количестве легирующих элементов около 5 %, сталь может относиться к мартенситному классу. Содержание углерода в сталях мартенситного класса обычно не превышает 055 %, Область перлитного распада в этих сталях сдвинута вправо, поэтому охлаждение на воздухе приводит к переохлаждению аустенита до температур мартенситного превращения, где и происходит образование мартенсита.

10) Стали аустенитного класса содержат более 15 % легирующих элементов, в том числе не менее 8 % никеля или около 13 % марганца. В большинстве этих сталей содержание углерода не превышает 0,2 %. Легирующие элементы (особенно никель), растворяясь в аустените, очень сильно повышают его устойчивость. При этом не только сдвигается вправо область перлитного распада, но и точка начала мартенситного превращения снижается в область отрицательных температур. В результате сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, сохраняет аустенитную структуру. Стали ферритного класса содержат от 17 до 30 % хрома или не менее 2,5% кремния. Это малоуглеродистые стали, в которых процент углерода не превышает 0,2. Растворяясь в феррите, хром очень сильно повышает его устойчивость. Такие стали практически не имеют фазовых превращений при нагреве вплоть до плавления, то есть сохраняют ферритную структуру во всех интервалах температур. К сталям карбидного (ледебуритного) класса относятся высокоуглеродастые (более 0,7 % С), легированные большим количеством карбидообразующих элементов, преимущественно вольфрамом, ванадием, молибденом, хромом. Легирующие элементы образуют с углеродом большое количество специальных карбидов. Уже в процессе кристаллизации стали образуются карбиды, входящие в состав эвтектики, напоминающей ледебурит. При охлаждении на в сталях карбидного класса, подобно сталям мартенситного класса, основа структуры получается мартенситной.

Вывод: Диаграмма состояния сплавов Fe-C это графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом. Кривая охлаждения показывает характер зависимости фазового состава и структуры в зависимости от концентрации и температуры. Тем самым диаграмма состояния Fe-C показывает изменение фазового состава (структуры) сталей и чугунов в зависимости от содержания углерода и температуры. Также диаграмма состояния определяет температуру нагрева сплавов при термической обработке.

Лабораторная работа №4 на тему: "Основные виды термической обработки углеродистых сталей".

№ n/n	Твердость до т/о (HRC)	t, 0C	, мин	Охлаждающая среда (вид т/о)	Твердость после т/о (HRC)	Предполагаемая структура
1	36	890	15	на воздухе (нормализация)	43	Тростит
2	35	890	15	в масле (закалка)	54	Бейнит
3	25	890	15	в воде (закалка)	66	Мартенсит

Охлаждение:

В масле 25 сек;

В воде 15 сек;

На воздухе 20 мин.

Ответы на контрольные вопросы:

1) Процесс тепловой обработки металлических изделий целью, которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.

2) Отжиг, нормализация, закалка, старение, улучшение.

3) Обработка холодом состоит в погружении на некоторое время закаленных деталей в среду, имеющую температуру ниже нуля. После этого детали вынимают на воздух.

Выдержку при обработке холодом определяют временем, необходимым для полного охлаждения всей детали и выравнивания температур по сечению. Охлаждение изделия до отрицательных температур производят в смеси твердой углекислоты (сухой лед) со спиртом, дающей охлаждение до —78,5° либо в жидком азоте (—196°). Обработка холодом применяется для сталей, в которых после закалки сохранилсяостаточный аустенит (углеродистая сталь с содержанием больше 0,6% С, легированная инструментальная сталь).

4) Старение стали — изменение свойств материала (стали), протекающее во времени без заметного изменения микроструктуры. Такие процессы происходят главным образом в низкоуглеродистых сталях (менее 0,25 % С). При старении за счёт скопления атомов углерода на дислокациях или выделения избыточных фаз и феррита(карбидов, нитридов) повышаются прочность, порог хладноломкости и снижается сопротивление хрупкому разрушению. Склонность стали к старению снижается при легировании её алюминием, титаном или ванадием. 5) Таким образом, по мере увеличения скорости непрерывного охлаждения (рис. 8) сужается интервал температур перлитного распада аустенита, а малая диффузионная подвижность атомов предопределяет большую степень дисперсности продуктов распада, т.е. уменьшает толщину пластинок феррита и цементита (рис. 9). Соответственно образуются структуры сорбита и троостита с большей прочностью, чем у перлита. А охлаждение с критической скоростью при закалке с охлаждением в воде превращает аустенит в прочный, очень хрупкий мартенсит.

6)Это время, в течение которого температура выдержки металла остается постоянной.

7) При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит.

8) Итак, для доэвтектоидных сталей способ проведения отжига на мелкое зерно (который часто называют размельчающим отжито м) заключается в следующем:

1) нагрев стали до температур, немного превышающих точку Лс3;

2) выдержка до полного перехода всей структуры в аустенит;

3) охлаждение.

9) Нормализация (франц. normalisation — упорядочение, от normal — правильный, положенный), вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве её выше верхней критической точки, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на спокойном воздухе. Цель Н. — придание металлу однородной мелкозернистой структуры (не достигнутой при предыдущих процессах — литье, ковке или прокатке) и как следствие — повышение его механических свойств (пластичности и ударной вязкости).

10) Виды отпуска сталей.  

1) низкий – нагрев детали до температуры 150 – 200 град, образуется структура – мартенсит отпуска. Твердость остается неизменной – 60 – 64 HRC. Снижаются закалочные напряжения, повышается предел прочности и текучести. Низкий отпуск применяется для обработки – режущих инструментов, штампы, подшипники, детали после закалки ТВЧ, цементованные детали.

2) средний – нагрев детали до температуры 350 – 400 град, образуется структура – троостит отпуска. Снижается твердость до 40 – 48 HRC, а также предел прочности. Сильно повышается предел упругости, выносливости. Средний отпуск применяется для обработки – пружин, рессор. 3) высокий – нагрев детали до температуры 500 – 650 град, образуется структура – сорбит отпуска. Снижается твердость до 30 HRC, предел прочности и упругости. Возрастает пластичность и ударная вязкость. Применяется для большинства деталей машин. Закалка + высокий отпуск – улучшение.

Вывод:

Термическая обработка - это нагрев материала до определенной температуры, выдержки и последующим охлаждение с различной скоростью, с целью изменения структуры и свойств.

Согласно таблице экспериментально было показано максимальное возрастание твердости у образца №3(таблица) при охлаждении в воде. Это объясняется образуемой структурой стали – мартенсит, который обладает наибольшей твердостью и хрупкостью. Мартенсит представляет собой перенасыщенный твердый раствор углерода в ОЦК решетке, образующийся в результате бездиффузионного распада аустенита, вследствие быстрой скорости охлаждения (V_кр ;V₅).