Пример ответа на вопросы задания 2

Рассмотрим превращения, происходящие в сплаве с содержанием углерода 0,5%.

1. Вычерчиваем диаграмму состояния железо-цементит (Рис.2).

2. Из точки на горизонтальной оси - оси концентрации углерода, соответствующей 0,5% углерода, проведём перпендикуляр. Точки пересечения перпендикуляра с линиями диаграммы 1, 2, 3, 4 являются критическими точками сплава.

3. Опишем структурные превращения сплава, соответствующие промежуткам диаграммы между точками и в каждой точке:

выше точки 1 – жидкий сплав (Ж);

в точке 1 (1500⁰С) – начало первичной кристаллизации сплава с образованием аустенита (ЖА);

между точками 1 и 2 (1500⁰С - 1400⁰С) – продолжается процесс кристаллизации А (ЖА);

в точке 2 (1400⁰С) – конец первичной кристаллизации А (ЖА);

между точками 2 и 3 (1400⁰С - 767⁰С) – охлаждение сплава со структурой А;

в точке 3 (767⁰С) – начало вторичной кристаллизации – из аустенита выделяется феррит Ф (АФ);

между точками 3 и 4 (767⁰С - 727⁰С) – продолжение образования феррита Ф (АФ);

в точке 4 (727⁰С) – эвтектоидное превращение [А_0,8П (Ф+Ц)] – конец вторичной кристаллизации;

ниже точки 4 - охлаждение полученного сплава, имеющего структуру (Ф+П).

4. Вывод - структура заданного сплава при комнатной температуре – феррит + перлит. Фазовый состав сплава – феррит + цементит. Такой сплав железа с углеродом называется доэвтектоидной сталью.

Точка А₁ - 727⁰С, А₃ - 767⁰С.

Ответ на задание 2 необходимо закончить описанием структур, образуемых по ходу кристаллизации сплава.

Задание 3 (варианты 1-30)

Краткая теория термической обработки стали

Виды и режимы термической обработки стали

Режим термической обработки характеризуют следующие параметры: скорость нагрева; температура нагрева; время выдержки при данной температуре; скорость охлаждения. Температура нагрева задаётся критическими точками. Линия PSK на диаграмме железо-цементит является геометрическим местом точек А_с1 - при нагреве и А_r1 – при охлаждении, линия GS – точек А_с3 и А_r1, линия ES - А_Сm. Виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Для отжига, нормализации и закалки время нагрева и выдержки в печи при заданной температуре берётся из расчёта 1,5 – 2 минуты на миллиметр диаметра или толщины детали. Скорость охлаждения выбирается в зависимости от вида обработки.

Отжиг (полный и неполный)

Отжиг (полный и неполный) является первоначальной операцией термической обработки, цель которой – устранить дефекты предшествующих операций (литья, ковки и т.д.), либо подготовить структуру к последующей обработке резанием.

Основная цель отжига – устранение внутренних напряжений и перекристаллизация стали (для уменьшения твёрдости и улучшения обрабатываемости резанием).

Углеродистые доэвтектоидные стали (С  0,8%) нагревают на 30… 50 ⁰С выше линии GS (А_с3+30 … 50⁰С), эвтектоидные (С= 0,8%) и заэвтектоидные (С  0,8%) – выше линии SK (А_с1+30 … 50⁰С).

Охлаждение производится медленно вместе с печью со скоростью 20 … 100 градус/час.

Нормализация

Нормализация также является первоначальной операцией термической обработки, цель которой – полная фазовая перекристаллизация стали и устранение крупнозернистой структуры, полученной при литье, прокатке и штамповке, а также получение более высокой твёрдости и прочности (на 10 … 15% по сравнению с отожжённой сталью).

Для низкоуглеродистой стали (С  0,25%) нормализацию применяют вместо полного отжига (в целях уменьшения твёрдости, улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности).

Для среднеуглеродистой стали (С = 0,25% … 0,65%) нормализацию применяют вместо улучшения – закалки и высокого отпуска. Механические свойства такой стали более низкие, но операция нормализации проще.

Для заэвтектоидной стали нормализацию применяют для устранения цементитной сетки.

Доэвтектоидную сталь для нормализации нагревают на 30… 50 ⁰С выше линии GS - (А_с3+30 … 50⁰С), эвтектоидную и заэвтектоидную - выше линии SE - (А_Cm+30 … 50⁰С). Охлаждение происходит на спокойном воздухе со скоростью от 1 до 3 градус/сек.

Закалка

Закалка способствует увеличению твёрдости и прочности. Для закалки углеродистую сталь нагревают - доэвтектоидную выше линии GS - (А_с3+30 … 50⁰С), эвтектоидную и заэвтектоидную выше линии SK - (А_C1+30 … 50⁰С). Структура и механические свойства закалённой стали зависят от скорости охлаждения. При скорости охлаждения 10 … 50 град/сек (обдув воздухом) аустенит превращается в сорбит закалки, представляющий собой более дисперсную, чем у перлита, механическую смесь феррита и цементита с твёрдостью 30 HRC. Сорбит обладает более высокой выносливостью, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам (структуру сорбита должны иметь валы машин, болты, винты и другие детали, работающие при знакопеременных нагрузках).

При скорости охлаждения около 100 градус/сек (например, в машинном масле) аустенит превращается в тонкодисперсную ферритно-цементитную смесь, называемую трооститом, который обладает высокой упругостью и твёрдостью (40 HRC) (структуру троостита должны иметь рессоры, пружины и т.п.).

При скорости охлаждения более 200 град/сек (например, в воде) аустенит превращается в мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор углерода в альфа-железе (Fe_α). Мартенсит очень твёрд и хрупок, его твёрдость 55 … 65HRC, которая зависит от степени пересыщенности углеродом. Чем больше в стали углерода, тем выше её твёрдость после закалки (структуру мартенсита должны иметь металлорежущие инструменты и некоторые детали машин, от которых требуется высокая твёрдость).

Отпуск

Отпуском называют финишную термическую обработку закалённой стали при нагреве до температур А_C1, с последующей выдержкой при данной температуре и охлаждении (чаще всего на воздухе). Время выдержки для низкого отпуска при 200⁰С принимается равным 30 минут, для среднего отпуска при 400⁰С – 20 минут, для высокого отпуска при 600⁰С – 10 минут. Кроме этого для всех видов отпуска прибавляется по 1 минуте на каждый миллиметр диаметра или толщины детали.

Отпуск проводят для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закалённой стали и получения требуемой структуры и механических свойств. В зависимости от температуры отпуск называют низким, средним и высоким.

Низкий отпуск проводят при нагреве до 250⁰С, выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе. После низкого отпуска снижаются закалочные напряжения, мартенсит закалки превращается в отпущенный мартенсит, при этом твёрдость сохраняется высокой (54 … 64 HRC) и несколько уменьшается хрупкость.

Средний отпуск проводят при температуре 350 … 500⁰С с охлаждением на спокойном воздухе. В результате повышаются упругость и выносливость. Мартенсит закалки превращается в троостит отпуска c твёрдостью 40 … 50 HRC).

Высокий отпуск проводят при температуре 500 … 680⁰С с охлаждением на спокойном воздухе. После высокого отпуска структура превращается из мартенсита закалки в сорбит отпуска с твёрдостью 25 … 30HRC, высокой вязкостью и выносливостью.

Термическая обработка, заключающаяся в закалке и высоком отпуске, называется улучшением.

Таким образом структуры сорбита и троостита можно получить либо путём охлаждения аустенита с определённой скоростью, либо отпуском из мартенсита. При этом структуры отпуска обладают лучшими механическими свойствами.

Ответ на задание 3 оформить в виде таблицы, заполнив соответствующие графы, предлагаемой в условии таблицы 3.2, и фрагмента диаграммы «желнзо-цементит» (рис. 3).