Контрольные вопросы по теме работы (устные ответы)

1) Что такое наклеп (нагартовка)?

2) Какой базовый фактор изменяется при наклепе?

3) В каких случаях наклеп вреден?

4) Что такое текстура металла?

5) Как изменяются свойства в результате наклепа?

6) Какие способы применяют для поверхностного упрочнения деталей?

7) Что такое дорнование? выглаживание?

8) Какой материал считается в настоящее время самым прочным?

9) Как изменяется шероховатость (чистота поверхности) в результате наклепа разными способами?

10) Как снять наклеп?

11) Для чего отбивают косу перед сенокосом?

12) Почему твердость металла детали, изготовленной штамповкой, во многих местах выше твердости заготовки?

13) К какому виду деформации – холодной или горячей – надо отнести: а) прокатку олова при комнатной температуре (t_пл Sn = 232 ºС);  б) деформацию стали при 400 ºС (t_пл стали = 1500 ºС).

14) Как повлияет на значение твердости, найденной методом Бринелля, повторное измерение в том же месте или поблизости от него?

15) Можно ли создать значительное упрочнение свинца, если его подвергнуть деформации при комнатной температуре? (t_пл Рb = 324 ºС.)

16) Как изменятся свойства стали обшивки корпуса судна в районе вмятины в сравнении с соседними участками?

17) Почему нельзя использовать по назначению стальные гвозди, найденные на месте пожара?

При недостатке места для эскизов и таблиц допускается приложение к отчету дополнительного листа.

Приложение № 3.2

Таблица

Соответствия чисел твёрдости HRB и HB [3]

а) в) с)

HRB	HB
34,7	75
36.2	76
37,4	77
38,4	78
39.1	79
40,1	80
40,8	81
42,0	82
42,5	83
43,0	84
44,2	85
45,0	86
45,7	87
46,4	88
47,2	89
47,9	90
49,4	92
HRB	HB
57,3	103
59,4	106
61,0	109
62,0	111
63,3	113
64,6	115
66,4	118
67,0	120
68,5	122
70,0	125
71,0	127
72,2	130
74,4	135
76,3	140
78,1	144
79,5	148
80,8	152
HRB	HB
81,9	156
83,2	160
84,0	156
85,0	166
86,1	170
87,1	171
88,0	170
89,5	181
91,5	190
93,4	200
95,0	209
96,7	219
98,1	228
99,5	238
100,0	229
101,0	235
102,0	241

Вместо таблицы можно использовать формулу, приведенную в работе [6]:

HB = 60 [(HRB / 70)³ + 1]

Лабораторная работа № 4

Тема: «Изучение диаграммы состояния системы сплавов железо – углерод»

Цель лабораторной работы – изучить диаграмму состояния системы сплавов железо – углерод, класси-

фикацию сплавов этой системы, фазовый состав и превращения в сплавах в функции температуры, усвоить все соответствующие термины и определения.

1. Сплавы и системы сплавов – основные понятия и определения.

Сплавы – это металлические конструкционные материалы (КМ), получаемые при совместном расплавлении и последующем затвердевании двух и более исходных веществ, называемых компонентами.

Пример: Выберем в качестве компонентов медь (Cu) и никель (Ni). Изменяя концентрацию, иначе – массовое соотношение компонентов в процентах, можно получить бесчисленное множество сплавов меди с никелем. Это бесчисленное множество в совокупности называется системой сплавов, в данном примере – системой медно-никелевых сплавов. Сплавы, образованные двумя компонентами, называются бинарными. В зависимости от строения сплавы подразделяются на три типа: механические смеси, твердые растворы и химические соединения. В механических смесях каждый компонент сохраняет свое кристаллическое строение. В твердых растворах только один компонент сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы второго компонента размещаются внутри нее (твердые растворы внедрения и замещения). В случае химического соединения ни один из компонентов не сохраняет свою кристаллическую решетку, образуется новая кристаллическая решетка.

Некоторые металлы (Fe, Ti, Zr, Ca, Co и др.) в разных температурных интервалах имеют различную

кристаллическую решетку. Это явление носит название полиморфизма. Вместе с тем существует понятие

аллотропии. Аллотропия − существование одного и того же химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам, − так называемых аллотропных модификаций. Понятие аллотропии используют преимущественно в отношении неметаллов при нормальной температуре. Например, алмаз, графит, фулерен, графен – суть аллотропные модификации угдерода (С).

2. Диаграммы состояния.

Каждый из множества сплавов конкретной системы имеет свою характерную температуру плавления t_пл и в зависимости от температуры изменяет свое состояние и фазовый состав. Эту информацию, представляемую в графической форме, отражают так называемые диаграммы состояния системы. Наиболее простыми являются диаграммы состояния систем бинарных сплавов. В таких диаграммах по оси абсцисс откладывают концентрацию в процентах (массовую долю) одного из компонентов, а по оси ординат – температуру. Если компоненты сплавов обозначить как А и В и по оси абсцисс откладывать концентрацию компонента В в процентах (см. рис.2), то, очевидно, что точка 100 на оси абсцисс будет соответствовать чистому компоненту В (В = 100 %), а точка 0 (начало координат, В = 0 % ) – чистому компоненту А (А = 100 %).

Диаграмму состояния конкретной системы сплавов строят по результатам опытов с нагретыми до

расплавления и затем медленно охлаждаемыми образцами сплавов, имеющих разное массовое соотношение

(концентрацию) компонентов. Можно, например, взять 10 образцов – образец компонента А, образец

компонента В и 8 образцов сплавов, в которых компонент В содержится, к примеру, в количестве 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 и 80 %. Медленно охлаждая расплав каждого образца можно определить температуры начала t_н и t_к конца затвердевания сплава (кристаллизация сплавов в отличие от кристаллизации чистого компонента

происходит в интервале температур, см. рис. 1).

Рис. 1. Опытные кривые охлаждения расплавов: 1 – чистого компонента, 2, 3 – сплавов, 4 - эвтектики

Таким образом, для каждого образца опытным путем находят значения температур t_н и t_к и, используя

шкалу температур на оси ординат, отмечают на диаграмме соответствующие точки. Соединяя их плавными линиями получают диаграмму состояния системы сплавов двух компонентов (бинарных сплавов).

В зависимости от типа сплавов диаграммы состояния имеют разный вид. На рис.2 схематично представлены диаграммы состояния для сплавов типа «механическая смесь» (а), для сплавов двух компонентов с

неограниченной взаимной растворимостью (б) и сплавов двух компонентов с ограниченной растворимостью

(в). Диаграмма состояния системы сплавов компонентов, образующих химическое соединение, здесь не

рассматривается.

а ) б

в)

Рис. 2. Диаграммы состояния системы сплавов компонентов А и В (схемы)

а) механическая смесь; б) неограниченная растворимость; в) ограниченная растворимость.

Рассматривая эти диаграммы, можно легко установить, что ординаты точек D и E соответствуют температуре плавления компонентов А и В, а линии DСE и CDE представляют собой геометрическое место точек – температур конца расплавления сплавов, а при охлаждении расплава – температур начала кристаллизации –процесса затвердевания кристаллического тела. Эти линии называются линиями ликвидус. Выше этих линий все сплавы находятся в жидком состоянии (L). Далее, ниже линий FCG, CFE и DFCN жидкая фаза L отсутствует – все сплавы находятся в твердом состоянии. Эти линии называются линиями солидус. Это геометрическое место ординат – температур начала расплавления или окончания кристаллизации при охлаждении расплава. Участки диаграммы, расположенные между линиями ликвидус и солидус, соответствуют переходному двухфазному состоянию – из твердого в жидкое (при нагревании) или из жидкого в твердое (при охлаждении).

Фазой называют часть системы, отделенную от других частей границей раздела. Граница раздела – это поверхность, при пересечении которой резко меняются свойства. В нашем случае границей раздела являются поверхности разнородных зерен, иначе - кристаллов неправильной формы, иногда называемых кристаллитами.

В процессе кристаллизации изменяются и состав жидкости, и количество каждой фазы – по мере охлаждения количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается. Известно так называемое правило отрезков, используя которое можно определить фазовый состав сплава и состав каждой фазы. Для этого через точку, характеризующую состояние какого-либо сплава, например, точку «а» (см. рис. 3), проводят линию, параллельную оси абсцисс до пересечения с линиями, ограничивающими данную двухфазную область. Точки пересечения укажут фазовый состав сплава (А + L), а абсциссы точек пересечения покажут состав фаз. Для примера на рис. 3 фаза А содержит 0 % компонента В (100 % А), а в фазе L (в жидкости) − с ^' % B.

М ожно также определить долевое соотношение этих фаз – оно будет обратно-пропорционально длинам отрезков аb и ас. С увеличением температуры по мере нагрева сплава длина отрезка ас, отражающая количество твердой фазы, будет уменьшаться и на линии ликвидуса будет равна нулю.

Правило отрезков в диаграммах состояния бинарных сплавов можно применить только в двухфазных областях. В однофазной области диаграммы имеется лишь одна фаза: любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.

Как видно из рис. 2, процесс затвердевания (или рас-

Рис.3. Применение правила отрезков плавления) у всех сплавов на диаграммах а) и в) происхо-

дит в интервале температур, за исключением одного сплава определенной концентрации (абсцисса точки С, а на Рис. 3 −. точки i), который затвердевает или расплавляется как чистый компонент, т.е. не в интервале температур, а при достижении одной определенной температуры, при этом − наименьшей для данной системы сплавов типа «механическая смесь». Такой сплав называется эвтектическим, или эвтектикой, и обычно обозначается буквой Э. Сплавы с меньшей концентрацией компонента В называются доэвтектическими, а сплавы с большей концентрацией компонента В – заэвтектическими.

Как уже отмечалось, в процессе кристаллизации, например, доэвтектических сплавов по мере образования кристаллитов (зерен) компонента А его концентрация в жидкой фазе (в расплаве) уменьшается, а концентрация (массовая доля, %) компонента В, соответственно, возрастает. Когда она достигает эвтектических значений, сразу образуются (зерна) эвтектики. Этим объясняется присутствие эвтектических зерен как в доэвтектических, так и в заэвтектических сплавах. Таким образом, за исключением эвтектики, все сплавы типа «механическая смесь» в твердом состоянии состоят из зерен двух видов – зерен одного из компонентов и зерен эвтектики, т. е. являются двухфазными.

Диаграмма системы сплавов двух компонентов с неограниченной взаимной растворимостью (рис. 2, б)

показывает, что все сплавы этой системы в твердом состоянии однофазны - состоят из зерен альфа-твердого

раствора.

В случае ограниченной растворимости диаграмма (рис. 2, в) несколько усложняется. Как можно видеть, максимальная растворимость ограничивается величиной абсциссы точки F. При большей концентрации

компонента В образуются механические смеси с дополнительной фазой – альфа-твердым раствором в

доэвтектических сплавах. В виду того, что растворимость зависит от температуры – с уменьшением

температуры растворимость уменьшается и растет с увеличением температуры – появляется соответствующая линия FK – линия предельной растворимости компонента В в компоненте А. Ограничительная линия FK показывает, что при охлаждении (уменьшении температуры) сплава с концентрацией компонента В меньшей, чем абсцисса точки F, избыточная часть компонента В выйдет из твердого раствора и образует дополнительную фазу – вторичные кристаллы (зерна) компонента В. Первичные кристаллы (зерна) компонента В образуются при кристаллизации заэвтектических сплавов. Таким образом, на диаграмме видим: две однофазные области (выше линии ликвидус DCE и участок DFK), четыре двухфазные (участки DFC, CEN, под линией FK и заэвтектические сплавы) и одну область трехфазного состояния.

3. Свойства компонентов сплавов железо – углерод.

Железо (Fe) − блестящий светло-серый металл. Имеет: плотность ρ = 7870 кг/м³, температуру плавления 1539 °С, предел прочности при растяжении σ_b = 200 … 250 МПа (технически чистое железо), предел текучести σ_т = 120 МПа, относительное удлинение δ = 50 %, твердость по Бринеллю НВ 80. Железо имеет три полиморфных модификации (см. рис. 4):

Рис. 4. График охлаждения расплава железа.

– альфа-железо - Fe _α −- низкотемпературная модификация с кубической объемо-центрированной (КОЦ) решеткой, существует до 910 °С. Альфа-железо магнитно, но при t = 768 °С (точка Кюри) становится немагнитным. Немагнитное альфа-железо раньше обозначали как бета-железо (Fe_β), однако разницы в строении Fe_β и Fe _α в дальнейшем обнаружено не было;

– гамма-железо Fe_γ - высокотемпературная модификация железа с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой существует в интервале 910—1400 °С;

– дельта-железо Fe_δ − высокотемпературная модификация железа с кубической объемо-центрированной (КОЦ) решеткой, существует в интервале от 1400 °С до температуры плавления.

Температуры полиморфных превращений железа называют критическим точками.

Углерод (С) в макромасштабе имеет две аллотропные модификации – графит и алмаз. На наноуровне

известны фуллерены (глобулы – большие молекулы с 60 и более атомами углерода) и графен – пленка

толщиной в один атом углерода. В железоуглеродистых сплавах углерод находится в химически связанном или свободном состоянии в виде графита.

Свойства графита: цвет серо-черный, плотность 2250 кг/м³, не плавится, имеет хорошую электропроводность, очень малую прочность (при 20 °С σ_в = 20 МПа) и, соответственно, низкую твердость - НВ 3. Графит имеет слоистое кристаллическое строение. Атомы плотно упакованы в пределах каждого слоя. Расстояние между слоями атомов в 2,4 раза больше, чем между атомами в слое. Связь между атомами в пределах слоя весьма прочная, а между слоями значительно слабее. Поэтому графит легко отслаивается.

При сплавлении с железом очень небольшая часть углерода растворяется в железе, а бóльшая его часть взаимодействует с железом химически, образуя карбид железа, и, кроме того, может находиться в свободном состоянии в виде зерен графита.

Твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе называется аустенитом и обозначается буквой А.

Согласно опытным данным максимальная растворимость углерода в Fe_γ не превышает 2,14 % при температуре 1147 °С.

Твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе называется ферритом, обозначается буквой Ф.

Максимальная растворимость углерода в альфа-железе составляет 0,02 % при температуре 727 °С, а при

комнатной температуре (20 °С) около 0,006 %, т.е. растворяется исключительно мало. Больше всего углерода содержится в карбиде железа – 6,67 %. Карбид железа получил название цементита, обозначается буквой Ц.

4.Метастабильная и стабильная диаграммы состояния системы сплавов Fe – C.

Как и все другие диаграмма состояния системы сплавов железо – углерод построена на основе опытных данных и много раз уточнялась. На рис. 5. представлена в упрощенном виде так называемая метастабильная диаграмма этой системы. Метастабильная – значит относительно стабильная и допускающая переход в еще более стабильное (устойчивое) состояние. Метастабильная диаграмма имеет по оси абсцисс две шкалы: концентрации цементита (0…100 %) и концентрации углерода (0…6,67 %). Цементит здесь рассматривается как временный (промежуточный) компонент, который при определенных условиях уступит место термодинамически стабильному графиту и диаграмма железо – графит будет называться стабильной (см. рис. 6).

Диаграмма железо - графит получена в условиях очень медленного нагрева и охлаждения (доли градуса в минуту) и при содержании в сплаве примеси кремния (Si) в количестве 3 …3,5 %. Диаграмму железо – цементит получают в условиях более высоких скоростей нагрева и охлаждения образцов (порядка нескольких градусов в минуту).

Рис. 5. Метастабильная диаграмма состояния системы сплавов железо – цементит

Рис. 6. Диаграмма состояния системы сплавов железо – графит (стабильная диаграмма)

Сравнивая эти диаграммы видим, что линии E'C'F' и P'S'K' расположены выше линий ECF и PSK, а линия E'S' – левее линии ES. При этом абсцисса точки E оказывается меньше 2,14 ( около 1,96), что позволяет принять среднее значение в 2 %.

Линии и фазы на диаграмме по рис.5.:

АВСD (линия ликвидус - место точек начала кристаллизации) и AHJECF (линия солидус - место точек конца кристаллизации) разграничивают начало и конец первичной кристаллизации, происходящей при затвердевании жидкой фазы при охлаждении сплавов. Линии ES и PQ показывают предельную растворимость углерода соответственно в гамма-железе и альфа-железе. При понижении температуры растворимость уменьшается и избыточный углерод, покидая твердый раствор, образует с железом химическую связь в виде цементита. Цементит, выделяющийся из жидкого сплава, принято называть первичным – Ц₁; из аустенита – вторичным –Ц₂, а из феррита - третичным.

Две горизонтальные линии ECF и РSК соответствуют началу (концу) двух превращений при постоянной температуре. При 1147 °С (горизонталь ECF) жидкая часть сплава при достижении эвтектической

концентрации углерода (как в точке С) одномоментно превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита. Эта фаза получила название ледебурита. При 727 °С (горизонталь PSK) происходит эвтектоидное превращение – образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом. В отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоид перлит возникает из твердых фаз. Перлит чаще кристаллизуется в виде чередующихся пластинок феррита и цементита. После специальной термической обработки перлит может иметь зернистую структуру.

Однофазные области диаграммы: жидкий расплав - выше линии ликвидус АВСD; феррит (Ф) – область GPQ, аустенит (А) - область АESG.

Двухфазные области: АCЕ - в равновесии жидкий расплав и кристаллы аустенита, CDF - в равновесии жидкий расплав и кристаллы цементита, GSP - в равновесии кристаллы аустенита и феррита и другие области за исключением сплавов с содержанием углерода 2,14… 4,3 % в твердом состоянии.

Ниже линии PSK (температура 727 ° С) никаких превращений не происходит. Поэтому шкала температур (по оси ординат) из соображений экономии места начинается не с 0, а часто с 400…600 ° С (область концентраций углерода менее 0, 02 % (точка Q) не в счет вследствие малости величин. К тому же масштаб по оси абсцисс для этой показанной на диаграмме области концентраций имеет условный характер).

Стоит обратить внимание и на шкалу концентраций цементита, которая начинается с 0 %. Между тем видно, что в сплавах с содержанием углерода менее 0,8 % цементит как фаза при любой температуре отсутствует. Дело в том, что эта шкала учитывает здесь цементит, входящий в эвтектоидную смесь – перлит.

Все основные линии диаграммы в целом представляют собой геометрическое место критических точек – температур начала (конца) фазовых превращений.конкретных сплавов. Некоторые критические точки имеют условное обозначение: при нагреве – А_с1 (на линии PSK), А_см (на линии ES), А_с3 (на линии GS), А_с2 (точка Кюри); при охлаждении, соответственно, - А_r1 , А_rм и А_r3.

5. Классификация железо - углеродистых сплавов.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С, называют техническим железом. Сплавы железа с углеродом при содержании углерода от 0,02 до 2% носят название нелегированных сталей (от 0,02 до 0,8% - доэвтектоидные стали, от 0,8 до 2 % - заэвтектоидные стали). Сплавы с содержанием углерода около 0,8 % называются эвтектоидными. Сплавы железа с углеродом , содержащие от 2 до 6,67 % С называются чугунами (от 2 до 4,3 % С – доэвтектические, от 4,3 до 6,67 %С - заэвтектические чугуны). Сплавы с содержанием углерода около 4,3 % называются эвтектическими чугунами.

6. Механические свойства фаз.

- Аустенит - HB = 150…180, δ = 40…50%, немагнитен;- Феррит  имеет низкую прочность σ_в = 200…250 МПа, σ_0,2 = 120 МПа, НВ 80…100, высокую пластичность (δ = 30…40 %, ψ = 80 %), магнитен;

- Перлит пластинчатый имеет НВ 180 … 220; σ_в = 800 МПа, δ = 10 %; зернистый перлит - НВ 160 … 200;

σ_в = 650 МПа, δ = 20 %;

- Цементит -  имеет высокую твердость НВ ~ 800, очень низкую пластичность;

- Ледебурит  (эвтектика) - твердая и хрупкая фаза, НВ 600…700.

- Графит – см. п. 4.

6. Фазовые превращения в сплавах системы Fe – C.

Процесс кристаллизации - протекающий при охлаждении процесс перехода кристаллического тела из

жидкого состояния в твердое – сопровождается различными превращениями.

Для построения кривой охлаждения конкретного сплава надо на оси абсцисс диаграммы состояния найти этот сплав, т.е. процентное содержание (концентрацию) углерода в сплаве, и из найденной точки восстановить перпендикуляр. Линия перпендикуляра пересечет линии диаграммы состояния. Далее надо найти ординаты точек пересечения и использовать их для построения кривой t = f (τ).

В качестве примера рассмотрим превращения при кристаллизации расплава заэвтектического чугуна, содержащего 4,6 % углерода. Из точки 4,6 % на оси абсцисс восстановим перпендикуляр (см. рис. 7.).

Рис. 7. Диаграмма состояния и построение кривой охлаждения расплава заэвтектического чугуна.

Пересечение перпендикуляра с линиями диаграммы дает три точки: 1, 2, и 3. Кристаллизация начинается в точке 1 на линии ликвидус образованием в жидком расплаве кристаллов первичного цементита. При этом расплав обедняется углеродом и при температуре 1147 °С (точка 2) содержит только 4,3%С. При этой

температуре расплав кристаллизуется с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении из аустенита, входящего в ледебурит, выходит избыточный углерод и образуется вторичный цементит. По достижении температуры 727°С аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит (точка 3) с образованием видоизмененного ледебурита. Дальнейшее охлаждение от точки 3^' приводит к выделению из феррита, входящего в состав перлита, избыточного углерода с образованием третичного цементита. Таким образом, фазовый состав заэвтектического чугуна при комнатной температуре: Л +Ц_I +Ц_II. На диаграммах показывают только одну фазу Ц_I, так как количество фаз Ц_II и Ц₃ мизерное.

6. Порядок выполнения работы:

- Изучить описание.

- Заполнить бланк-форму отчета (см. Приложение № 1).

- Подготовить устные ответы на контрольные вопросы (см. Приложение № 2)

- Завершить отчет и предъявить его преподавателю для проверки.

Список литературы

1. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для вузов/ Солнцев Ю. П., Веселов В.А., Демянцевич В. П., Кузин А. В., Чашников Д. И.- изд. М.: «МИСИС», 1996. - 576 с.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. Учеб. Для вузов. –

М.: Высш. шк., 1990. – 447 с.: ил.

3. http://malishev.info/exams/matved/sem2/29/

Приложение № 4.1.

Форма отчета

ГУМРФ им.адм. С.О. Макарова

Кафедра технической эксплуатации флота