Содержание

Вопрос № 23: 3

Вопрос № 53: 5

Вопрос № 83: 8

Список литературы.. 11

Вопрос № 23:

Что такое вторичная кристаллизация в стали? В чем ее практическое значение? Приведите примеры.

РЕШЕНИЕ:

Некоторые металлы, например железо, титан и олово, способны по достижении определенных температур заменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип элементарной ячейки. Так ОЦК железо, будучи нагрето до 911 ⁰С, перестраивает кристаллическую решетку при этой температуре и становится ГЦК железо. Это строение сохраняется до 1392 ⁰С, после чего решетка снова перестраивается и приобретает ОЦК строение, сохраняя его вплоть до температуры плавления 1539 ⁰С.

Данное явление получило название аллотропии или вторичной кристаллизации., а сам переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными.

Основной причиной вторичной кристаллизации является стремление любого вещества обладать минимальными запасами свободной энергии, которая изменятся в зависимости от абсолютной температуры Т по формуле:

F= U – TS, (1)

где U – внутренняя энергия

S – энтропия (термодинамическая функция)

Если у металла по достижении какой-то определенной температуры изменение типа кристаллической решетки обеспечивает снижение запасов свободной энергии, то такой металл претерпевает аллотропическое превращение.

Разные аллотропные формы металла обозначают буквами греческого алфавита, при этом низкотемпературные модификации обозначают буквой ά, а последующие в порядке роста температуры - буквами β, γ, δ и так далее.

Наличие у металлов аллотропических свойств имеет важное практическое значение, так как благодаря им у металла изменяются такие свойства, как плотность, способность растворять в своей решетке другие элементы.

В связи с этим именно благодаря вторичной кристаллизации сплавы на основе железа можно подвергать термической обработке для целенаправленного изменения их свойств.

Вопрос № 53:

В чем сущность закаливаемости и прокаливаемости стали? Как определяется прокаливаемость и в чем ее практическое значение?

РЕШЕНИЕ:

Назначение закаливания и прокаливания стали - повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности обрабатываемых изделий. При этом сердцевина остается вязкой, и изделие воспринимает ударные нагрузки.

Наибольшее распространение получил метод поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ). При нагреве ТВЧ используется явление индукции и поверхностного распределения индуцированного тока в детали. Деталь устанавливается в индуктор (соленоид), представляющий собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждающей медной трубки. При пропускании через индуктор переменного тока высокой частоты создается магнитное поле, вызывающее появление в обрабатываемом изделии индуцированн7го тока той же частоты, но обратного направления. Индуцированный ток вызывает разогрев изделия. Особенностью индуцированного тока является его неодинаковая плотность по сечению изделия. В основном ток концентрируется в поверхностном слое изделия. Толщина (м) закаленного слоя может быть подсчитана о формуле:

, (2)

ρ – электросопротивление, Ом*м,

μ – магнитная проницаемость, Гн/м,

ς – частота, Гц

Чем меньше частота тока, тем больше глубина нагреваемого слоя. Если применять ток малой частоты (промышленный), то индуцированный ток будет течь по всему сечению детали и вызвать сквозной нагрев. Индукционный нагрев обеспечивает высокие скорости нагрева. Скорость нагрева ТВЧ в зависимости от частоты, электросопротивления и магнитной проницаемости составляет 50 – 500 ⁰С, а при обычном печном нагреве она не превышает 1- 3 ⁰С/с. Нагрев до температуры закалки осуществляется за 2-10 секунд. Глубина слоя 2-5 мм. Большие скорости нагрева приводят к тому, что превращение перлита в аустенит смещается в область более высоких температур, поэтому температура закалки при индуцированном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает 1,5 – 3 ⁰С/с. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше температура аустенизации и получения при охлаждении нормальной структуры и максимальной твердости. Так, например, при печном нагреве стали 40 температура закалки 840 – 860 ⁰С.

Охлаждающую жидкость (вода, водяные растворы полимеров) для закалки обычно подают через спрейер (душевое устройство). Различают следующие способы закалки с индукционным нагревом:

1) одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод применяется для изделий, имеющих небольшую упрочняемую поверхность;

2) непрерывно- последовательный нагрев и охлаждение; этот метод применяют для закалки длинных валов, осей

3) последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; данный метод используют при закалке шеек коленчатых валов

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160 – 2000 0С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое количество теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4- 0,5 % С (40,45, 40Х, 45Х, 40ХН другие), которые после закалки имеют высокую твердость (HRC 50-60), сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

Структура поверхности - мартенсит отпуска, а в сердцевине, если сталь предварительно термически не обработана, сохраняется ферритно-перлитная структура. Для улучшения механических характеристик перед закалкой ТВЧ проводят улучшение на зернистый сорбит или нормализацию.

После закалки с индукционным нагревом действительное зерно аустенита значительно меньше (10- 12 баллов), чем при обычной закалке с печным нагревом ( 7- 8 баллов). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве. При этом образуется мелко игольчатый мартенсит с твердостью на 3- 6 единиц HRC выше, чем при печном нагреве.

При поверхностной закалке значительно повышается предел выносливости стали. Так, для стали 40 после нормализации он составляет 150 Мпа, а после закалки с индукционным нагревом- 420 Мпа. Повышение предела выносливости объясняется образованием в закаленном слое остаточных напряжений сжатия. Это особенно важно для различных осей и валов, работающих на изгиб и кручение, у которых максимальные напряжения растяжения возникают в поверхностных слоях.

Вопрос № 83:

По диаграмме состояний железо- цементит опишите, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода. Охарактеризуйте этот сплав и определите для нег при заданной температуре количество, состав фаз и процентное соотношение, используя исходные данные:

- количество углерода- 1 %

- температура- 740 ⁰.

Постройте кривую охлаждения.

РЕШЕНИЕ:

Диаграмма состояния железо- углерод дает представление о строении железоуглеродистых сплавов- сталей и чугунов (рис. 1).

t, ⁰С

1600 А D

1500 J H В

1400 N

1300

1200

1100 Е C F

1000

900 аустенит+цеменити(вторичный)

800 G

700 К

Р S цементит+перлит

0 1 2 3 4 5 6 (мас)

Fe3C,% (мас.)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рис. 1. Диаграмма фазового состояния железо- углерод

Первое представление о диаграмме железо- углерод дал Д. К. Чернов, который в 1868 году отметил существование в стали критических точек и их зависимость от содержания в стали углерода, то есть по сути, впервые указал на полиморфизм железа.

Содержание углерода в диаграмме железо- цементит ограничивается 6,67 %, так как при этой концентрации образуется химическое соединение карбид железа или цементит (Fe₃C), который является вторым компонентом диаграммы.

Система Fe - Fe₃C метастабильная. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш свободной энергии, но кинетическое образование карбида железа более вероятно.

Точка А (1539 ⁰С) отвечает температуре плавления железа, точка D (1500 ⁰С)- температуре плавления цементита, точки N (1392 ⁰С) G (910 ⁰С) соответствуют полиморфному превращению Fe_a↔Fe_γ.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния следующая:

В – 0,51 % С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ- ферритом и аустенитом, при перитектической реакции и при 1499 ⁰С;

H – 0,1 % С в δ- феррите 1490 ⁰С;

J – 0,16 % С в аустените- перитектике при 1490 ⁰С;

Е – 2,14 % С предельное содержание в аустените при 1147 ⁰С

S – 0,8 5 С в аустените при реакции эвтектоидного превращения 727 ⁰С;

Р – 0,02 % С – предельное содержание в феррите при 727 ⁰С.

Линии диаграммы состояния железо- цементит имеют следующие обозначения:

- АВ – линия ликвидуса указывает температуру начала кристаллизации δ- феррита из жидкого сплава;

- ВС- линия ликвидуса указывает температуру начала кристаллизации аустенита из жидкого сплава

- СD – линия ликвидуса указывает начало кристаллизации первичного цементита из жидкого сплава

- АВСD – вся линия ликвидуса

При температуре равной 740 ⁰С и содержанию углерода 1%, согласно диаграмме состояния железо- цементит, мы находимся на поле существования двух фаз аустенита и цементита (вторичного). Далее при понижении температуры попадаем на линию PSK (линию эвтектоидного превращения), где имеем реакцию:

727 ⁰C

Аs ↔ Фр +Fe₃С,

где Аs – аустенит состава S

Фр – феррит состава Р

Fe₃С – цементит

Фр +Fe₃С – перлит

Или:

Fe_γ(C) _0,8 ↔ Fe_α (С)_0,02 + Fe₃C

где Fe_α (С)_0,02 + Fe₃C - перлит.

То есть при охлаждении идет распад аустенита ( 0,8 % С) с образованием эвтектоида (перлит). При дальнейшей кристаллизации в качестве конечных продуктов получаем цементит ( 15 масс % ) и перлит (85 масс. %)

Список литературы

1) Материаловедение и технология металлов. – М.: Высшая школа, 2001. – 637 с

2) Курдюмов Г.В. Явление закалки и отпуска стали. – М.: Металлургиздат, 1960 . – 64 с.

3) Лахтин Ю.М. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1993. – 448 с.

4) Гуляев А.П. Металловедение. –М. : Металлургия, 1986. – 544 с.

5) Зарембо Е.Г. Превращения в структуре и свойства стали. – М.: ВИИИТ, 1990