Вычертите диаграмму состояния железо-цементит,

Исходные данные:Номер вариантаНомера вопросов12345130,7У1210Х14Г14Н4ТБрБ2Теплостойкие пластмассы35264861491615100131076901449705Т, оС00Т, оС544195145130610011. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего процент углерода по варианту задания. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?11Т, оСТ, оС1157715152266950τ00τ519557020882116006480156618078455’005’4558361181673550054437711175133040044014470463246300336080701406392002524700522682204606290199898048939451997075451040519551654039870636905362521531750035356801139694907197201576600462851520234140045414371983961006051552023110006051551983740004064359664044003650891345992003571378131307005359402114219660066536575196311650055207001771981400454576944323030035527541492252002603885230344900613493664044006134933459920060554213130700569954230623757663620186655756691959113582295629920581025310819579755108916605542131307003571378-3865003571102230154300ττ665’5’55443322666655443322Рисунок 1 – Диаграмма состояния железо-цементит и кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,7%СПервичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ACD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AECF (линию солидус).При температурах, соответствующих линии AC, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. В точке C при температуре 1147оС и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3→ЛА2,14+Ц6,67. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.Таким образом, структура чугунов ниже 1147оС будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит.Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Начало аллотропического превращения γ→α в сплавах при охлаждении. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.В точке S при температуре 727оС и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит – механическая смесь феррита и цементита, полученная в результате распада аустенита при охлаждении сплавов ниже 727оС. При медленном охлаждении перлит присутствует во всех сплавах с концентрацией углерода от 0,02 до 6,67%. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8→ПФ0,03+Ц6,67.Линия PQ показывается на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении.Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом.Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727оС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.По достижении температуры 727оС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит). Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727оС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727оС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:С=К+1-Ф,где С – число степеней свободы системы; К – число компонентов, образующих систему; 1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях); Ф – число фаз, находящихся в равновесии.Построение кривой охлаждения для сплава, содержащего 0,7% углерода (рисунок 1):(.)1: С=2-1+1=2. Сплав находится в жидком состоянии, т.е. существует только 1 фаза – жидкая.(.)2: С=2-2+1=1. Соответствует началу кристаллизации аустенита, т.е. в сплаве одновременно существуют 2 фазы – жидкая и аустенит.(.)3: С=2-2+1=2. Соответствует окончанию кристаллизации аустенита, т.е. весь жидкий расплав перешел в аустенит. Существует только 1 фаза – аустенит.(.)4: С=2-2+1=1. Соответствует началу перекристаллизации аустенита в феррит, т.е. одновременно существуют 2 фазы – аустенит и феррит.(.)5: С=2-3+1=0. Соответствует окончанию перекристаллизации аустенита и эвтектоидному превращению, т.е. одновременно существуют 3 фазы – аустенит, цементит и феррит. На кривой охлаждения появляется горизонтальный участок 5-5’, т.е. температура не изменяется до тех пор, пока весь расплав не превратится в эвтектоид.(.)6: С=2-2+1=1. Соответствует окончанию эвтектоидного превращения, т.е. одновременно существуют только 2 фазы – цементит и феррит. При дальнейшем охлаждении состав и структура сплава не изменяются.Сплав железа с углеродом, содержащий 0,7%С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре рисунок 2) феррит + перлит.Рисунок 2 – Схематическое изображение микроструктуры сплава, содержащего 0,7% углерода при комнатной температуре2. Вычертите участок диаграммы Fe-Fe3C для стали и нанесите на нем линии температур нагрева сталей для термической обработки.1) Расшифруйте марку стали (по варианту задания), определите группу по назначению, назовите изготавливаемые из этой стали детали.2) По диаграмме Fe-Fe3C определите температуры полного и неполного отжига, полной и неполной закалки, нормализации стали (по варианту задания).3) Назовите охлаждающие среды и опишите цель, структуру и свойства стали после каждого вида термообработки.4) Какой вид термообработки и почему рационально применять для заданной стали.У12 – инструментальная углеродистая сталь. Химический состав стали У12 (ГОСТ 1435-99): 1,1-1,29% углерода; 0,17-0,33% кремния; 0,17-0,33% марганца; до 0,25% никеля; до 0,028% серы; до 0,03% фосфора; до 0,2% хрома; до 0,25% меди. Применение: режущие инструменты, работающие в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: метчики ручные, метчики машинные мелкоразмерные, плашки для круппов, развертки мелкоразмерные, надфили, измерительный инструмент простой формы: гладкие калибры, скобы. Для заэвтектоидных сталей полный отжиг с нагревом выше Аст (линия ES на диаграмме) вообще не используют, так как при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. К заэвтектоидным углеродистым сталям широко применяют отжиг с нагревом до 740-780оС (для стали У12 до 750-770оС) и последующим медленным охлаждением. После такого нагрева в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении. В результате образуется структура зернистого перлита (сферодита), почему этот отжиг и называется сфероидизирующим. Мелкие частицы цементита при температуре отжига в интервале А1 – Аст получаются в результате деления цементитных пластин. Сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, легче обрабатывается резанием. Кроме того, зернистый перлит является оптимальной исходной структурой перед закалкой. При исходной структуре зернистого перлита меньше склонность к росту аустенитного зерна, шире допустимый интервал закалочных температур, меньше склонность к растрескиванию при закалке, выше прочность и вязкость закаленной стали (мелкие глобули равномерно распределены в мартенсите закаленной заэвтектоидной стали.При комнатной температуре сталь У12 имеет структуру цементит и перлита. До температуры Ас1 сохраняется исходная структура. При температуре Ас1 происходит превращение перлита в аустенит с содержанием углерода 0,8%. При нагреве выше точки Ас1 происходит растворение цементита в аустените (в соответствии с линией SE). Увеличение температуры выше точки Аcm вызывает рост зерна аустенита.Критические точки для стали У12: Ас1 = 730оС; Аcm = 820оС.Для закалки заэвтектоидные стали нагревают на 50-70оС выше Ас1. Таким образом, температура нагрева под закалку составляет 780-800оС. При этих температурах в стали наряду с аустенитом имеет цементит. Поэтому после закалки в структуре заэвтектоидных сталей будет мартенсит с цементитом и небольшое количество остаточного аустенита. Охлаждающая среда при закалке – индустриальное масло. Твердость поверхности после закалки 62-64 HRC. Для снятия напряжений и стабилизации структуры после закалки изделия подвергают низкому отпуску. Нормализация заключается в заэвтектоидной стали до температуры выше точки Acm также на 40-50оС, в непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Температура нормализации стали У12 составляет 860-870оС. Цель нормализации заэвтектоидной стали – устранение цементитной сетки. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, сорбита или троостита. Это повышает прочность и твердость нормализованной высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной. Вид термообработкиПолный отжигНеполный отжигПолная закалкаНеполная закалкаНормализацияТемпература и охлаждающая среда750-770оС, воздух700-720оС, воздух780-800оС, индустриальное масло700-750оС, масло860-870оС, воздух3. Для некоторых деталей выбрана легированная сталь марки (по варианту задания).1) Расшифруйте состав, определите группу стали по назначению, назовите детали, изготавливаемые из этой стали.2) Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, опишите структуру и свойства стали после термообработки.3) Опишите влияние легирующих элементов на точки и линии диаграммы Fe-Fe3C, на термическую обработку и свойства стали.10Х14Г14Н4Т – конструкционная криогенная сталь. Расшифровка марки стали: 10 – примерное содержание углерода в стали 0,1%; Х14 – примерное содержание хрома в стали 14%; Г14 – примерное содержание марганца в стали 14%; Н4 – примерное содержание никеля в стали 4%; Т – содержание титана до 1,5%. Применение: для изготовления разнообразного сварного оборудования, работающего в средах химических производств слабой агрессивности, криогенной техники до -196°С, а также для использования в качестве жаростойкого и жаропрочного материала до 700 °С; сталь аустенитного класса.Аустенитная сталь на хромомарганцевой основе, 10Х14Г14Н4Т, как заменитель более дорогих хромоникелевых аустенитных сталей. Следует иметь в виду, что пластическая деформация хромомарганцевой стали может вызвать частичное мартенситное превращение (γ→ε→α), что снижает сопротивление хрупкому разрушению. Сталь рекомендуется для изготовления сварных конструкций, работающих при температурах от 20 до -253оС. Аустенитные стали используют после закалки в воде от 1000-1050оС. Такая обработка способствует нормализации внутренних напряжений в сплаве и увеличению характеристик прочности деталей. При нормальной температуре предел текучести σ0,2 аустенитных сталей не превышает 400-450 МПа.Криогенные стали должны обладать достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. К данной стали нередко предъявляют требование высокой коррозионной стойкости. Для достижения заданных свойств сталь применяют после двойной нормализации (при 900 и 790оС) и отпуска при 560оС или после закалки в воде от 810-830оС и отпуска при 600оС. После такой термической обработки предел текучести σ0,2 при нормальной температуре составляет 400-450 МПа, а при -196оС – 680-820 МПа. Сопротивление удару при температуре -196оС KCU = 1,0÷1,3 МДж/м2.Сталь 10Х14Г14Н4Т имеет механические свойства, близкие к свойствам стали 12Х18Н10Т, и может служить ее заменителем при низких температурах. Она обладает высокой вязкостью, что исключает хрупкое разрушение в сложных условиях нагружения, и имеет, как и сталь 12X18H10T, относительно невысокий предел текучести при 20 °С, увеличивающийся при охлаждении до 77 К, так же как и у стали 12Х18Н10Т.Сталь 10Х14Г14Н4Т удовлетворительно обрабатывается давлением и резанием, хорошо сваривается. Коррозионная стойкость в атмосферных условиях стали 10Х14Г14Н4Т равноценна таковой для стали 12Х18Н10Т.Очевидно, что марганец может улучшить низкотемпературную вязкость стали. Марганец в основном существует в виде твердого раствора в стали и играет роль упрочняющего твердого раствора. Кроме того, марганец является элементом, который увеличивает область аустенита и снижает температуру превращения (A1 и A3). Легко получить мелкие и пластичные зерна феррита и перлита, которые могут увеличить максимальную энергию удара и значительно снизить температуру хрупкого перехода. В общем, отношение Mn/C должно быть равно 3, что может не только снизить температуру хрупкого перехода стали, но и компенсировать снижение механических свойств, вызванное уменьшением содержания углерода из-за увеличения содержания Mn.Никель может уменьшить тенденцию к хрупкому переходу и значительно снизить температуру хрупкого перехода. Влияние никеля на улучшение низкотемпературной ударной вязкости стали в 5 раз выше, чем у марганца, то есть температура хрупкого перехода снижается на 10 ℃ с увеличением содержания никеля на 1%. Это происходит в основном из-за того, что никель с углеродом поглощается твердым раствором и армированием, никель также перемещается в левую точку эвтектоидной точки эвтектоидной стали, чтобы уменьшить содержание углерода, снизить температуру фазового перехода (A1 и A2), по сравнению при том же содержании углерода в углеродистой стали уменьшение количества феррита и рафинирования перлитной популяции (содержание углерода в перлите также ниже, чем в углеродистой стали). Результаты экспериментов показывают, что основная причина, по которой никель увеличивает ударную вязкость при низкой температуре, заключается в том, что никельсодержащая сталь имеет более подвижные дислокации при низкой температуре и легче скользит поперек. Увеличение содержания хрома и никеля в стали приводит к снижению температурного интервала мартенситного превращения и уменьшает интенсивность мартенситных превращений при деформации. 4. Для изготовления деталей машин и приборов выбран сплав цветного металла (по варианту задания).1) Расшифруйте состав, укажите, к какой группе относится сплав, приведите примеры деталей из него.2) Опишите влияние легирующих элементов.3) Назовите термообработку, возможности упрочнения, режим, структуру и свойства сплава.БрБ2 – бронза безоловянная, обрабатываемая давлением. Расшифровка марки: Бр – бронза; Б2 – примерное содержание бериллия в сплаве 2%. Применяется для изготовления высоконагруженных подшипников, различных мембран, втулок, пружин, зубчатых колес, шестерен и других деталей. Кроме того, бериллиевую бронзу можно применять как безыскровой инструмент, так как при ударе о металл или камень не возникает искры, как у стали. Бронза БрБ2 представляет собой сплав меди с бериллием. В качестве дополнительного легирующего элемента может использоваться никель, которым частично заменяют дорогостоящий бериллий.Медь с бериллием образует ряд твердых растворов. Предельная растворимость бериллия в меди составляет 2,7% при температуре 864оС. С понижением температуры растворимость падает и при температуре 300оС составляет от 0,2%. Следовательно, бериллиевую бронзу можно упрочнять с помощью закалки и старения. Нагрев под закалку осуществляют при температуре 750-790оС с охлаждением в воде для получения пересыщенного α-твердого раствора. Затем проводят старение при температуре 300-350оС и при этом из перенасыщенного α-твердого раствора выделяются дисперсные частицы γ-твердого раствора на базе химического соединения электронного типа CuBe. Этот твердый раствор обладает высокими твердостью и прочностью.Механические свойства: σв=450 МПа, δ=40%;HB=900. Наряду с высокими прочностью, жидкотекучестью, твердостью, упругостью и коррозионной стойкостью, бериллиевые бронзы отличаются высокой электропроводностью, теплопроводностью, высоким сопротивлением ползучести, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Благодаря высокому уровню временного сопротивления и предела упругости бронзы БрБ2 по сравнению с другими медными сплавами бериллиевые бронзы находят применение для изготовления пружин, мембран, пружинящих контактов. Инструменты из бериллиевой бронзы не дают искр, поэтому их применяют в производстве взрывчатых веществ.Бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии, они технологичны при сварке и обработке резанием. В связи с высокой сопротивляемостью истиранию они используются для изготовления деталей, работающих на износ.Широкое применение бериллиевых бронз ограничивается высокой стоимостью бериллия. 5. Выбран неметаллический материал.1) Укажите состав и свойства, назначение материала, назовите изготавливаемые из него детали.2) Опишите строение, применяемую обработку, рабочие характеристики материала, предъявляемые к нему требования, границы применимости. Теплостойкие пластмассы – это полиамиды, полиакрилаты, полисульфоны, поликетоны и др.Их разрушающее напряжение достигает 160±30 МПа, а теплостойкостью по Мартенсу – 200оС. Из этих материалов получают изделия, удовлетворительно работающие при постоянных нагрузках до 40 МПа и при температурах 190±30оС.Полиамиды (ГОСТ 10589-87, ГОСТ 17648-83) включают в группу известных термопластичных пластмасс (таких, как нейлон, капрон и др.). Макромолекула полиамида имеет структуру -NH-CH2x-NH-CO-CH2y-CO-n, где x, y = 2-10. Ориентированные полиамиды характеризуются высокой прочностью на растяжение (более 400 МПа), ударопрочностью, способностью к поглощению вибрационных нагрузок. Они имеют низкий коэффициент трения и могут использоваться в качестве подшипников как без смазки, так и при применении смазочных материалов. Полиамиды используют для изготовления конструкционных и электроизоляционных изделий, эксплуатируемых при температурах от -60 до +100оС (зубчатые передачи, уплотнительные устройства, втулки, муфты, подшипники скольжения, лопасти винтов, стойкие к действию щелочей, масел, жиров и углеводородов), технических изделий и товаров культурно-бытового назначения, антифрикционных покрытий металлов. Полиакрилаты – сложные гетероцепные полиэфиры. Полиакрилатам присущи высокая термическая стойкость и морозостойкость (до -100оС), хорошие показатели прочности и антифрикционные свойства (эстеран). Полиакрилаты радиационно-стойки и химически стойки; применяются для подшипников, работающих в глубоком вакууме без использования смазочного материала, в качестве уплотнительных материалов в буровой технике. Полисульфон – простой ароматический полиэфир, в макромолекулах которого между фениленовыми группами имеются звенья -SO2- (повышают стойкость к нагреву), группы -O-, -CCH32- (уменьшают жесткость). Это аморфный, трудно кристаллизующийся полимер. Материал термически стабилен, химически стоек, по прочностным свойствам близок к полифениленоксиду. Полисульфон применяют в виде пленок, литых изделий и покрытий для эксплуатации при температуре от -100 до 175оС (в инертной атмосфере до 400оС). Из него изготовляют детали автомобилей, станков, бытовых машин, электротехнических изделий, металлизованных матриц для типографских клише. Теплостойкость пластмасс определяется по ГОСТ 9551-60 двумя методами: по Мартенсу и по Вика.По методу Мартенса образец в виде бруска с размерами 10×15×120 мм устанавливается консольно и к нему при помощи рычага прикладывается изгибающий момент, вызывающий в материале напряжение 50 кГ/см3. Теплостойкостью считается температура, при которой конец рычага опустился на 6 мм.По методу Вика в образец толщиной не менее 3 мм вдавливается игла, острие которой имеет площадь 1 мм2, силой 1 или 5 кГ в зависимости от вида материала.Под теплостойкостью понимают температуру, при которой игла вдавливается в образец на глубину 1 мм. Метод применим только для однородных пластмасс.Теплостойкость по Вика всегда выше теплостойкости по Мартенсу. Список использованной литературы1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для вузов.-3-е изд. – М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.2. Материаловедение: Учебник для вузов /Под общ. ред. Б.Н. Арзомасова. 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.3. Термическая обработка в машиностроении: Справочник/ Под ред. Ю.М. Лахтина, Рахштадта А.Г. - М.: Машиностроение, 1980. - 783 с. 4. Гольдштейн М.И. и др. Специальные стали.: Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1985. - 408 с.5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. - 4-е изд. - М.: Металлургия, 1993. - 448 с.