Основы материаловедения

Задача 1

Начертите диаграмму состояний сплавов, образующих ограниченные твердые растворы. В чем заключается принцип построения диаграммы состояний?

Решение:

Диаграмма состояния показывает изменение состояния в зависимости от температуры и концентрации. Если в системе два компонента, то диаграмму строят в двух измерениях: температура - концентрация. По оси ординат откладывают температуру, по оси абсцисс - концентрацию. Общее содержание обоих компонентов в сплаве равно 100 %, и каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию каждого компонента.

Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре. Каждая вертикаль соответствует изменению температуры определенного сплава. Изменение фазового состояния сплава отмечается на диаграмме точкой. Линии, соединяющие точки аналогичных превращений, разграничивают на диаграмме области аналогичных фазовых состояний.

Вид диаграммы состояния зависит от того, как реагируют оба компонента друг с другом в твердом и жидком состояниях.

На диаграмме состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом и не образуют химических соединений.

Компоненты: А, В. Фазы: L, α, β.

В сплавах такого рода возможно существование: жидкой фазы, твердого раствора компонента В в А, который называется α-расвором, и твердого раствора компонента А в В, который обозначается через β. В этих сплавах возможно нонвариантное равновесие при одновременном существовании трех фаз: L, α, β. В зависимости от того, какая реакция протекает в условиях существования трех фаз, могут быть два вида диаграмм: диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой.

Диаграмма с эвтектикой.

Рисунок 1 - Диаграмма состояния с эвтектикой

В этой системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкости могут выделяться только твердые растворы α или β. Следовательно, около вертикалей А и В (рисунок 1), соответствующих чистым компонентам, находятся области существования твердых растворов α или β. Предельная растворимость компонента В в А определяется линией DF, а предельная растворимость А в В - линией CG.

Сплавы, находящиеся между этими двумя линиями, находятся за пределами растворимости и являются двухфазными, состоящими из α + β. Окончание кристаллизации происходит по эвтектической реакции:

 → α + β.

Линия АЕВ является на этой диаграмме линией ликвидус, линия ADCB - линией солидус.

Диаграмма с перитектикой.

При эвтектическом превращении жидкость кристаллизуется с образованием двух твердых фаз. Возможен и другой тип нонвариантного превращения (трехфазного равновесия), когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов L + β → α. Реакция подобного типа называется перитектической.

Рисунок 2 - Диаграмма состояния с перитектикой

Диаграмма с перитектическим превращением показана на рисунке 2. На диаграмме показаны три однофазные области: жидкость L и ограниченные твердые растворы α и β.

Задача 2

По диаграмме состояния "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 него при заданной температуре количество, состав фаз и их процентное соотношение, используя данные, приведенные в таблице 2.

Количество углерода С = 3,4 %. Температура t = 1050 ⁰С.

Решение:

Диаграмма состояния "железо - цементит" дает представление о структуре медленноохлажденных железоуглеродистых сплавов и является теоретической основой термической обработки этих сплавов. Компонентами являются железо и углерод. Фазами на диаграмме являются: железоуглеродистый расплав (ж), аустенит (А), феррит (Ф) и цементит (Ц).

Рассмотрим превращения с 3,4 % углерода.

В точке 1 из расплава начинает кристаллизоваться аустенит, процесс заканчивается в точке 2 (при 1147 ⁰С). В интервале температур между точками 2 и 3 из образуется эвтектика - ледебурит, состоящий из смеси кристаллов аустенита и цементита. По мере охлаждения растворимость углерода в аустените уменьшается, при этом из аустенита выделяется цементит.

При температуре ниже 727 ⁰С аустенит переходит в перлит, и ледебурит состоит из перлита и цементита.

Строим кривую охлаждения сплава (рисунок 3).

Определим для сплава при содержании 3,4 % С и температуре t = 1050 ⁰С количество, состав фаз и их процентное соотношение.

Этим данным соответствует точка с на диаграмме (рисунок 4). В этой точке присутствуют кристаллы аустенита и цементита, химический состав которых описывается точкой b (4,3 % С) и эвтектика - ледебурит, химический состав которой описывается точкой а (2,14 % С).

Рисунок 3 - Кривая охлаждения

Рисунок 4

Составляем и решаем пропорцию:

; ; 60 %;

Q_Л = 40 %.

Задача 3

сплав углерод сталь раствор

Выберите режим термической обработки детали из стали указанной марки для получения заданных свойств и обоснуйте его. На основе диаграммы состояний "железо - цементит" и построенного графика термической обработки напишите о превращениях в структуре стали, используя данные таблицы 3.

Решение:

Сталь У11 - сталь инструментальная углеродистая.

Химический состав стали:

С: 1,06 - 1,13 %; Si: 0,17 - 0,33 %; Mn: 0,17 - 0,33 %; Ni: до 0,25 %; S: до 0,028 %; Р: до 0,03 %; Cr: до 0,2 %; Cu: до 0,25 %.

Для обеспечения равномерного прогрева по сечению, уменьшения внутренних напряжений и деформации, снижения опасности образования трещин для инструмента из стали марки У11 проводят одноступенчатый нагрев. Подогрев проводят при 200 - 500 ⁰С в электровоздушной или газовой печи любого типа.

Углеродистая сталь в исходном состоянии имеет структуру зернистого перлита, низкую твердость и хорошо обрабатывается резанием. Зенкер из стали У11 подвергается закалке при температуре 790 - 810 ⁰С. Закалку выполняют так, чтобы мартенситное превращение происходило только частично, т.е. сохранилось мелкое зерно и нерастворенные частицы вторичного цементита. Зенкер охлаждают в 5 - 10%-ном водном растворе NaCl или NaOH с температурой 18 - 30 ⁰С для образования мартенсита из непревратившегося ранее аустенита.

Зенкер после закалки обладает твердостью HRC  62.

После этого инструмент подвергают отпуску при температуре 140 - 200 ⁰С с выдержкой 1 - 2 ч. В процессе выдержки при отпуске выделяются дисперсные карбиды. Аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами, становится менее устойчивым и при охлаждении ниже 200 ⁰С испытывает мартенситное превращение.

После термообработки зенкер имеет структуру отпущенного мартенсита и карбидов. Он обладает твердостью HRC 63 - 65. На поверхности зенкера образуется твердый износостойкий слой за счет несквозной прокаливаемости - сравнительно вязкая сердцевина, позволяющая работать при умеренных ударных нагрузках.

Список используемой литературы

1.     Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

2.       Лахтин Ю.М. Основы металловедения: Учебник для техникумов. - М.: Металлургия, 1988. - 320 с.

.        Термическая обработка в машиностроении: Справочник / Под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта. - М.: Машиностроение, 1980. - 783 с.