Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный технический университет» Институт нефтегазовых технологий КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Вариант 55 Выполнил студент: Шамсутдинов А.Р. 2-ИНГТ-22ИНГТ-264/ИС Зачетка № 22130755 Самара 2024 2 Содержание 1 Задание 1 .................................................................................................................. 4 2 Задание 2 .................................................................................................................. 5 3 Задание 3 .................................................................................................................. 8 4 Задание 4 .................................................................................................................. 9 5 Задание 5 ................................................................................................................ 12 3 1 Задание 1 Укажите, как выбирается режим рекристаллизационного отжига? Для каких целей он назначается? Рассмотрите на примере никеля. Решение. Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры. Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную (выходную) термическую обработку (для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств). Нагрев деформированного металла ведет к повышению подвижности атомов, и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равновесных свободных от напряжений зерен. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкновения друг с другом и до полного исчезновения вытянутых зерен. При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации предел прочности и особенно текучести резко снижаются, а пластичность увеличивается. Для устранения наклепа необходим отжиг. Основные цели отжига: перекристаллизация стали (измельчение зерна), снятие внутренних напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости. Наименьшую температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. Эта температура не является постоянной физической величиной. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д. Температура начала рекристаллизации металлов, подвергнутых значительной деформации, для технически чистых металлов составляет примерно 0,4 Тпл (правило А.А. Бочвара), для чистых металлов снижается до (0,1...0,2) Тпл, а для сплавов твердых растворов возрастает до (0,5...0,6)Тпл. Температура начала рекристаллизации никеля: Тп.р. = (1453+273)0,4-273=417 °С. (1) 4 2 Задание 2 Вычертите диаграмму состояния Fe – Fe3C, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,4 % С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется? Решение. 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 5 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. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением: C = K + 1 – Ф, (2) 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 1,4%С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Перлит + Цементит. 6 а) б) Рисунок 1: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,4% углерода 7 3 Задание 3 После закалки углеродистой стали была получена структура мартенсит + цементит + Аост. Нанесите на диаграмму состояния железо - цементит ординату (примерно) обрабатываемой стали, укажите температуру ее нагрева под закалку. Опишите превращения, которые произошли при нагреве и охлаждении стали. Решение. Данная структура соответствует закаленной заэвтектоидной углеродистой стали. Стали, содержащие от 0,8 до 2,14% углерода, называются заэвтектоидными. Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит. При температурах, соответствующих линии ES, аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при понижении температуры из него выделяется вторичный цементит. Поэтому при температуре ниже линии ES сплавы становятся двухфазными (аустенит + вторичный цементит). По мере выделения цементита концентрация углерода в аустените уменьшается согласно линии ES. При снижении температуры до А1 (727°С) аустенит, содержащий 0,8%С (точка S), превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные стали состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита или в виде игл (пластин), закономерно ориентированных относительно аустенита. Количество избыточного (вторичного) цементита возрастает с увеличением содержания в стали углерода. Выделение вторичного цементита в виде сетки и игл делает таль хрупкой. Поэтому специальной термической обработкой и деформацией его придают зернистую форму. Из заэвтектоидных сталей выбираем сталь У10, содержащую 0,95 -1,04 %С. Ее критические точки: Ас1=730°С, Аcm=800°С. Температура нагрева под закалку назначается из условия: Ас1 + (30,50) = 760-780°С. Закалкой называется нагрев стали до температур выше фазовых превращений, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью больше критической. В результате закалки из аустенита образуется неустойчивая структура мартенсит. Закалка стали У10 заключается в нагреве до температуры 760 – 780°С, выдержке и охлаждении в воде. Охлаждение в воде обеспечивает скорость охлаждения выше критической. В результате закалки получаем структуру мартенсит. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе 8 4 Задание 4 Используя диаграмму состояния железо - цементит, определите температуру полного и неполного отжига и нормализации для стали 40. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и опишите изменение структуры и свойств стали в процессе каждого вида обработки. Решение. Отжиг – это термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру близкую к равновесной. При отжиге материал нагревается в печах до заданной температуры и выдерживается достаточно длительное время. Затем следует медленное охлаждение со скоростью 30– 200˚С/час. Рис. 1. Схема различных видов отжига По данной диаграмме определяем, что для ст. 40 оптимальный температурный режим полного отжига лежит в пределах 800-850оС, неполного отжига в пределах 730-780оС. Рис. 2. Температурный интервал нормализации углеродистой стали По данной диаграмме определяем, что для ст. 40 температурный режим нормализации лежит в пределах 820-860оС. оптимальный 9 В результате отжига в металлах снимаются внутренние остаточные напряжения, происходит рекристаллизация, выравнивается химический состав. В зависимости от целей отжига различают его разновидности: а) для снятия напряжений, б) рекристаллизационный в) диффузионный. Для сталей характерные температуры отжига 600–1300˚С, время выдержки 10–50 часов. Вследствие протекающих при высокой температуре процессов изменяются свойства сплавов: повышается пластичность, снижается хрупкость, улучшается структура металла, его обрабатываемость. Следовательно, после отжига углеродистой стали получаются структуры, указанные на диаграмме состояния железо — цементит; феррит и перлит в доэвтектоидных сталях; перлит в эвтектоидной стали; перлит и вторичный цементит в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь обладает низкой твердостью и прочностью при высокой пластичности. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно и устраняет видманшттетову и другие неблагоприятные структуры стали. Полный отжиг. Этот вид отжига заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30 —50°С выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых .превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении (рис. 6, а). При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали. При нагреве до температуры выше точки Ас3 на 30-50°С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, и поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность, а также возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки (рис. 2). Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки Ас3 вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Время нагрева и продолжительность выдержки при заданной температуре зависят от типа нагревательной печи, способа укладки изделий в печь, высоты садки, типа полуфабриката, (лист, сортовой прокат и т. д.). Рис. 3. Схема полного отжига доэвтектоидной стали: 10 а — схема отжига; б — термокинетическая диаграмма превращения переохлажденного аустенита с указанием скорости охлаждения при отжиге (1) и нормализации (2). Отжиг нормализационный (нормализация). Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 50°С, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе (см. рис. 3б, поз. 2). Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. Ускоренное охлаждение на воздухе (см. рис. 3б, поз. 2) приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритноцементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, квазиэвтектоида типа сорбита или троостита. Это повышает на 10—15% прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной. Нормализация горячекатаной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства будут в этом случае несколько ниже, но изделия подвергнутся меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке, и вероятность появления трещин практически исключается. 11 5 Задание 5 Укажите назначение, химический состав цементуемой легированной стали 20ХГР. Решение. Конструкционная легированная хромомарганцовая сталь 20ХГР используется для изготовления улучшаемых/ цементуемых деталей, работающих под ударными нагрузками – вал-шестерни, зубчатые колеса, кулачковые муфты, червяки, пальцы, валики, втулки, другая продукция. Таблица 1 - Химический состав цементуемой легированной стали 20ХГР Бор 0,001– 0,005 Кремний Марганец Медь Никель Сера Титан Углерод Фосфор Хром 0,17– 0,7–1 0,3 0,3 0,035 0,06 0,18– 0,035 0,75– 0,37 0,24 1,5 12