Примеры решений задач по материаловедению

Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,8% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
При температурах, соответствующих линии ВС, 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. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3-> Л[А2,146,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

 Диаграмма железо-цементит

Рисунок 2 – Диаграмма железо-цементит

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С 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 Υ-железа в α-железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.
В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8 -> П[Ф0,036,67].
Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.
Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), 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 727°С имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727°С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращается 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 727°С состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727°С состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
кривая охлаждения 
                                                               а)                                                                               б) 
Рисунок 3: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,8% углерода

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
C = K + 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.
Сплав железа с углеродом, содержащий 0,8%С, называется эвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре перлит.
 

Дайте определение ударной вязкости (KCV). Опишите методику измерения этой характеристики механических свойств металла.

Способность металла сопротивляться ударному воздействию нагрузки оценивают величиной ударной вязкости, под которой понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора напряжений. Методы определения ударной вязкости при комнатной, пониженной и повышенной температурах регламентированы ГОСТ 9454–78 и соответствуют СТ СЭВ 472–77 и СТ СЭВ 473–77. В соответствии с этими стандартами образец квадратного или прямоугольного сечения с концентраторами вида U, V и Т (рисунок 1) устанавливают на две опоры маятникового копра с максимальной энергией удара 0,5; 1,0; 5,0; 10; 15 или 30 кгс•м (ГОСТ 10708–76).

Образцы для испытаний на ударную вязкость

Рисунок 1 – Образцы для испытаний на ударную вязкость:
а-в – соответственно с концентраторами вида U, V и T (усталостная трещина)

Удар наносят посередине образца со стороны, противоположной надрезу. За окончательный результат испытания принимают работу удара или ударную вязкость для образцов с концентраторами видов U и V и ударную вязкость для образцов с концентратором вида Т (усталостная трещина, получаемая в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости). Работу (KU, KV или КТ) разрушения образца определяют обычно по специальной шкале маятникового копра. После определения работы разрушения образца вычисляют ударную вязкость KCU (KCV, КСТ): КС= = K/S0, где S0 – площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см2.

Работу удара обозначают двумя буквами (KU, KV или КТ) и цифрами. Первая буква (К) – символ работы удара, вторая буква (U, V или Т) – вид концентратора. Последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. Цифры не указывают при определении работы удара на копре с максимальной энергией удара маятника 30 кгс•м, при глубине концентратора 2 мм для концентраторов видов U и V и 3 мм для концентратора типа Т и ширине образца 10 мм.

Ударную вязкость также обозначают сочетанием букв и цифр. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья буква – вид концентратора; первая цифра – максимальную энергию удара маятника, вторая – глубину концентратора и третья – ширину образца. Цифры не указывают в тех же случаях, что и для работы удара. Применяют 10 типов образцов с надрезом вида U, А – с надрезом вида V и 6 – с надрезом вида Т.

Для определения ударной вязкости хрупких материалов (чугунов, сталей с твердостью HRC 55 и выше) допускается применение призматических образцов с размерами 10х10х55 мм без надреза. Ударную вязкость, полученную при испытании таких образцов, обозначают символом КС без индекса.

Для более точной оценки вязкости материалов иногда ударную вязкость как интегральную характеристику делят на две составляющие – удельную рабоду зарождения а3 и удельную работу развития ар трещины: aH = a3 + aр. При хрупком разрушении работа распространения трещины близка к нулю, а при полухрупком она снижается пропорционально проценту вязкой составляющей в изломе, поэтому целесообразно определять ар только при полностью вязком изломе. Существует несколько методов определения а3 и ар. Наиболее распространены метод Б.А. Дроздовского (предварительное нанесение на образец усталостной трещины) и метод А. П. Гуляева (испытание образцов с разными надрезами и построение зависимости ударной вязкости от радиуса надреза); экстраполяция прямой до нулевого значения радиуса надреза дает возможность получить величину ар.

Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,6% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, 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. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3 Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С 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. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой 
А0,8→П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), 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 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ºС (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 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

а – диаграмма железо-цементит, б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,6% углерода
                                                              а)                                                                              б)

Рисунок 2: а – диаграмма железо-цементит, б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,6% углерода

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 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.

Сплав железа с углеродом, содержащий 3,6%С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре – перлит + цементит + ледебурит.

Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 45…50 HRC. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращения и какая структура получается в данном случае.

 

Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8

Рисунок 3 – Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8

Изотермической обработкой, необходимой для получения твердости 45…50 HRC, является изотермическая закалка. При изотермической закалке сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас1с1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 250-350°С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточной для полного превращения аустенита в нижний бейнит, имеющий твердость 45…50 HRC. Нижний бейнит представляет собой структуру, состоящая из α-твердого раствора, претерпевшего мартенситное  превращение и несколько пересыщенного углеродом, и частиц карбидов. В качестве охлаждающей среды при изотермической закалке применяют расплавленные соли или расплавленные щелочи.

 

Используя диаграмму состояния железо – карбид железа и кривую изменения твердости в зависимости от температуры отпуска, назначьте для углеродистой стали 40 температуру закалки и температуру отпуска, необходимые для обеспечения твердости 400 НВ. Опишите превращения на всех этапах термической обработки и получаемую структуру.

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С, а Ас1 = 730°С. Структура доэвтектоидной стали при нагреве её до критической точки Ас1 состоит из зерен перлита и феррита. В точке Ас1 происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ас1 до Ас3 избыточный феррит растворяется в аустените и при достижении Ас3 (линия GS) превращения заканчиваются.
Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.
В зависимости от температуры отпуска меняется твердость закаленной стали. Например, при 600°С твердость НВ не более 200 ед., при 400°С – не более 280 ед., а при 200°С – не более 450 ед.
Поэтому для получения твердости 400 НВ закаленную сталь подвергают низкому отпуску при температуре 180-200°С. Низкий отпуск, незначительно снижая твердость поверхностно-закаленного изделия, существенно повышает сопротивление стали хрупкому разрушению. Структура стали после низкого отпуска на глубину прокаливания – мартенсит отпуска.
В результате термической обработки твердость изделия на глубину прокаливания составит 400 НВ.

 

Поделиться с друзьями

Служба добровольцев Miloserdie.ru у совета есть своя  справочная телефонная служба
(495) 107-70-01, можно попросить о помощи,и предложить свое участие.
Помощь добровольцев организована по следующим направлениям:
пожилым и инвалидам на дому,бездомным,детям-инвалидам в сиротских учреждениях,подопечным в психоневрологических интернатах,
солдатам в военных госпиталях,в детском отделении глазной больницы,младенцам в домах ребенка,
мелкий бытовой ремонт нуждающимся