Диаграмма состояния железа

1. Вычертите диаграмму  состояния железо – цементит, укажите структурные составляющие  во всех областях диаграммы,  постройте кривую охлаждения (с  применением правила фаз) для  сплава, содержащего 3,5 % углерода

Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

 

Диаграмма состояния железо – цементит

 

Кривая  охлаждения (с применением правила  фаз) для сплава, содержащего 3,5 % углерода

 

Такой сплав называется серый чугун 

Структура серого чугуна:

Серый чугун на ферритной основе содержит две структурные составляющие –  графит и феррит

Серый чугун на феррито-перлитной основе содержит три структурные составляющие – графит, феррит и перлит

 

2. Вычертите участок  диаграммы Fe-Fe3C для стали и  нанесите на нем линии температур  нагрева сталей для термической  обработки

 

1) Расшифруйте марку  стали 45 определите группу по  назначению, назовитеизготавливаемые  из этой стали детали.

 

Углеродистая качественная сталь  с содержанием углерода 0,45 %

 

Химический состав

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0.17-0.37
Медь (Cu), не более	0.25
Мышьяк (As), не более	0.08
Марганец (Mn)	0.50-0.80
Никель (Ni), не более	0.25
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr), не более	0.25
Сера (S), не более	0.04

 

Назначение

Вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностнй термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.

 

 

 

 

 

 

 

 

2) По диаграмме Fe-Fe3C определите температуры полного  и неполного отжига, полной и неполной закалки, нормализации стали

Полный отжиг 

 

Неполный отжиг 

 

 

В зависимости от температуры нагрева  закалка бывает полной и неполной. При полной закалке сталь нагревают  выше точки А3. Полная закалка применяется  для доэвтектоидной стали. В этом случае при нагреве выше точки  А3 сталь имеет полностью аустенитную структуру и после резкого охлаждения имеет полностью мартенситную структуру. При неполной закалке полного превращения не будет, и оставшийся в структуре феррит не даст получить высокой твердости и прочности. Поэтому в доэвтектоидной стали неполную закалку не применяют.

Полная закалка 830-850 0С

 

 

Нормализация

3) Назовите охлаждающие  среды и опишите цель, структуру  и свойства стали после каждого  вида термообработки.

 

Отжиг — термическая обработка, при которой сталь нагревается выше Ас3(или только выше Ас1 — неполный отжиг) с последующим, медленным охлаждением. Нагрев выше Ас3 обеспечивает полную перекристаллизацию стали. Медленное охлаждение при отжиге. Обязательно должно привести к распаду аустенита и превращению его в перлитные структуры. Нормализация есть разновидность отжига, при нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе, что создает несколько более быстрое охлаждение, чем при обычном отжиге. И в случае нормализации превращение должно произойти в верхнем районе температур с образованием перлита, но при несколько большем переохлаждении, что определяет некоторое различие свойств отожженной и нормализованной стали.

Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки, цель которых — либо устранить Некоторые дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья, ковки и т. д.), либо подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием, закалке). Однако довольно часто отжиг, и особенно нормализация, являются окончательной термической обработкой. Это бывает тогда, когда после отжига или нормализации получаются удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали свойства и не требуется их дальнейшее улучшение с помощью закалки и отпуска.

Основные цели отжига: перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений или исправление структуры.

 

 

 

 

 

 

Закалка

Для того, чтобы обеспечить закалку  сталей на мартенсит необходимо быстро охлаждать её в области перлитного превращения. Но если с такой же скоростью охлаждать её и дальше в области мартенситного превращения, то в детали возникают резкие закалочные напряжения. Поэтому желательно проводить охлаждение в области мартенситного превращения по возможности медленнее, но среды с переменной скоростью охлаждения не существует и поэтому для разных деталей применяют различные способы охлаждения, чтобы получить закаленное состояние с минимум уровнем внутренних напряжений.

1. Охлаждение в одном охладителе (воде, масле). Недостаток - очень резкие внутренние напряжения. Чтобы их уменьшить применяют второй способ закалки.

2. Закалка в двух средах (из  воды в масло). По этому способу  в начале деталь охлаждают  в воде, до температуры ниже  перлитного превращения, а затем перебрасывают до окончательного охлаждения в масло. Этот способ сложен и требует высокой квалификации рабочих, от которых требуется выдерживать деталь определенное количество времени в воде. Если выдержка будет мала, то при дальнейшем охлаждении попадаем в перлитное превращение, и закалки не будет, а если выдержка слишком большая, то в деталях возникают большие внутренние напряжения.

3. Ступенчатая закалка. При ступенчатой  закалке нагретую деталь охлаждают  быстро до заданной температуре  в специально горячей среде, в качестве которой используются расплавы металлов или солей. Время выдержки в горячей среде определяются маркой стали и может быть четко определено по секундомеру, после этого идет окончание охлаждение в воде или масле. Выдержка в горячей среде позволяет выровнять температуру по всему сечению деталей, поэтому при окончательном охлаждении в воде, или масле превращение аустенита в мартенсит идет одновременно по всему объему детали, что позволяет резко снизить уровень внутренних напряжений. Такой способ закалки применяют для крупногабаритных деталей сложной формы, чтобы до минимума снизить искажение формы.

4. Изотермическая закалка. Этот  способ применяется для крупногабаритных  деталей, которые нельзя охлаждать  очень быстро, из-за опасности  разрушения. При изотермической закалке нагретые детали помещают в горячую среду, нагретую до заданной температурой 350-400 градусов, в которой выдерживают до полного прохождения превращения аустенита в троостит или бейнит. После полного превращения деталь обычно охлаждается на воздухе. Дополнительного отпуска после такой закалке не требуется. Температура окружающей среды выбирается термообработкой, чтобы получить в детали структуру, обеспечивающую заданную твердость.

5. Закалка с обработкой холодом.  При закалке высокоуглеродистых сталей, содержащих никель, молибден, вольфрам даже после полного охлаждения до нормальной температуры превращение аустенита в мартенсит проходит не полностью. Остаточный аустенит имеет невысокую твердость и поэтому твердость детали после закалки будет недостаточной. Для устранения остаточного аустенита закаленные детали дополнительно охлаждают в области отрицательных температур 70-80 градусов, парами углекислоты или жидкого азота. Дополнительное охлаждение вызывает переход остаточного аустенита в мартенсит и твердость закаленной стали повышается.

 

6. Закалка с самоотпуском. Этот  способ закалки применятся для  деталей, которые должны иметь  различную твердость в различных  местах. Чтобы получить переменную  твердость, нагретую деталь помещают в охлажденную среду только рабочей поверхностью, оставляя хвостовик над поверхностью охлаждающей среды. После полного охлаждения поверхности деталь извлекают из охлаждающей среды и за счет тепла, сохранившегося в хвостовой части, происходит разогрев рабочей поверхности и ее отпуск. Температуру разогрева поверхности контролируют по цветам побежалости.

Отпуск стали

Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом  растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке – отпуску.

Различают 3 вида отпуска по температуре: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск 150-220 градусов

Средний отпуск 350-450 градусов

Высокий отпуск 550-650 градусов

Низкий отпуск применяется для  деталей, которые должны иметь высокую  твердость и прочность. При низком отпуске мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска. Мартенсит отпуска отличается от мартенсита закалки отсутствием внутренних напряжений за счет выделения из него избытка углеводорода в виде мельчайших карбидов. Твердость мартенсита отпуска такая же или немного больше, чем у мартенсита закалки (58 – 62 HRC).

Средний отпуск проводится для деталей, в которых требуется максимальный предел упругости. При температурах среднего отпуска происходит распад остаточного аустенита в мартенсит, и затем переход мартенсита в троостит. Троостит представляет собой игольчатую структуру феррита, вдоль игл которого расположены выделившиеся из твердого раствора мелкие карбиды. Такая структура обладает малым запасом вязкости, но зато высоким пределом упругости. Поэтому такой вид отпуска применяют для изготовления упругих деталей машин. Твердость 40 – 45НRС и очень маленькая ударная вязкость.

Высокий отпуск применяется для  деталей, в которых необходимо сочетание  высокой ударной вязкости и достаточной  прочности – это детали машин, работающие с ударными и знакопеременными нагрузками. При этом образуется сорбит. Сорбит представляет собой зёрна феррита с огромным количеством точечных и округлых выделений карбидов, равномерно распределенных по объему стали. Твердость 20 –25 НRС.

Сочетание полной закалки и высокого отпуска называется термическим улучшением стали. Такой термообработке обычно подвергают стали содержащие 0,3 = 0,6 %С. Поэтому такие стали часто называют улучшаемыми.

Выбор того или иного вида отпуска  зависит от назначения детали. Если деталь должна обладать максимальной твердостью и износостойкостью, то соответственно твердость поверхности должна быть максимальной и для такой детали всегда применяют закалку с низким отпуском. Если же на первое место по техническим условиям выходит максимальная вязкость, то применяют закалку с высоким отпуском. Средний отпуск в большинстве случаев используют при изготовлении пружины. В некоторых случаях при быстром охлаждении деталей после горячей деформации возникает эффект увеличения твердости за счет получения неравновесных структур типа троостит или бейнит. Такая сталь с трудом поддается обработке резанием, поэтому для снижения твердости её подвергают высокому отпуску при температуре 600-700є С с медленным охлаждением. Чаще всего это высокоуглеродистая сталь или сталь, содержащая легирующие элементы.

4) Какой вид термообработки  и почему рационально применять  для заданной стали

Для доэвтектоидной стали в основном применяют полный отжиг. При таком  отжиге происходит полная смена структуры  стали, что позволяет устранить все дефекты, вызванные холодной деформацией, сваркой, резкой и так далее.

Полный отжиг

Производится с нагревом стали  до температуры, превышающей точку  А3 с последующим медленным охлаждением  вместе с речью. Медленное охлаждение вызывает полное равновесное превращение Ф + П. В результате®А получается максимально возможная пластичность, минимальная твердость и прочность и полное снятие внутренних напряжений. Если внутренние направления не имеют значения то после охлаждения с печью до 5000, дальнейшее охлаждение можно вести на воздухе. Полный отжиг применяют для устранения дефектов структуры, вызванных литьем, холодной деформацией, сваркой.

Основной недостаток полного отжига – это его большая продолжительность, возможная неравномерность зеренного строения в центре и на поверхности крупногабаритных изделий, вызванная неодинаковой скоростью охлаждения.

 

3. Для некоторых деталей  выбрана легированная сталь марки  ШХ9

1) Расшифруйте состав, определите  группу стали по назначению, назовите  детали, изготавливаемые из этой стали.

Шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,9 % хрома

Химический состав в % материала ШХ9

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.95 - 1.05	0.17-0.37	0.2-0.4	до 0.3	до 0.02	до 0.027	0.7 - 1.05	до 0.25

 

Назначение: шарики диаметром до 150 мм, ролики диаметром до 23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей, ролики толкателей и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

2) Назначьте и обоснуйте режим  термической обработки, опишите  структуру и свойства стали  после термообработки.

Закалка 830 0С охлаждающая среда  – масло

Отпуск 280 0С охлаждающая среда  – воздух

Отжиг 780 0С 

В закалённом состоянии сталь обладает большой твёрдостью, но вместе с тем и хрупкостью. Чтобы придать ей вязкость, производится отпуск стали после закалки. Для этого её нагревают до температуры 220-300°С и медленно охлаждают в воздухе. Твёрдость стали при этом несколько уменьшается, структура её изменяется, и она становится более вязкой. Меняя температуру отпуска, можно получить разные механические свойства.