пересечения
и касания) с однофазными областями (рис.
1).
0 c' l' 100
Рис. 1. Применение правила отрезков
при анализе диаграмм состояний.
Qэвт=
Доля кристаллов В в структуре
сплава
QB=
100%
Правило фаз (правило Гиббса)
В данной работе это правило
используется, в основном, для контроля
хода кривых охлаждения сплавов. Правило
имеет вид:
С = К-Ф+ 1,
где К - число компонентов в сплаве;
Ф - число фаз в рассматриваемом
состоянии сплава;
С - число степеней свободы сплава,
в нашем простейшем случае анализа - это
число возможностей у сплава уменьшить
свою температуру при отводе от него тепла.
Если С>0 (т.е. С = 1 или 2), то температура
сплава будет монотонно понижаться при
отводе тепла от сплава. Если в некоторой
точке происходит изменение от С = 1 к С
= 2 или наоборот, то
изменяется скорость снижения
температуры сплава, т.е. в этих точках
на кривой охлаждения будут изломы.
Если С = 0, то несмотря на отвод
тепла от сплава, его температура будет
оставаться постоянной до тех пор, пока
не завершится какой-то процесс внутри
сплава, благодаря чему в нем уменьшится
число фаз и окажется C>0. На кривой охлаждения
сплава этому процессу будет соответствовать
горизонтальный участок.
9 Диаграмма состояния сплавов Fe-C
Диаграмма
состояния железоуглеродистых сплавов.Основные свойства сплава определяются
содержанием углерода. Взаимодействие
углерода с α- или γ-модификациями железа
приводит к образованию железоуглеродистых
сплавов, различных по строению и свойствам.
Построение диаграммы состояния железо
- углерод (цементит) дает представление
о температурах и концентрационных границах
существования этих сплавов.
На диаграмме состояния железо
- цементит (см. рис. 1.9) линия ABCD - линия ликвидуса, выше нее сплав находится
в жидком состоянии; линия AECF - линия солидуса, ниже нее сплав находится
в твердом состоянии. При температурах,
соответствующих линии AECF, заканчивается первичная кристаллизация.
В точке С при концентрации углерода 4,3
% образуется эвтектика, которая носит
название ледебурит. Линия PSK - линия эвтектоид-ного превращения, на
которой заканчивается процесс вторичной
кристаллизации. Линия PS - линия нижних критических точек А1. Линия GSE - начало процесса вторичной кристаллизации
твердого раствора. Линия GS - линия верхних критических точек А3; она показывает температуру
начала выделения феррита из аустенита.
Линия SE - линия верхних критических
точек Ат, она показывает температуру
начала выделения вторичного цементита
и является линией, определяющей предельную
растворимость углерода в аустените. Сплавы,
содержащие до 2,14 % С, условно называют
сталями, более 2,14 % С - чугунами. Сталь,
содержащая 0,8 % С, называется эвтектоидной
сталью; сталь, содержащая менее 0,8 % С,
- доэвтектоидной. Сталь, содержащая более
0,8 % С, - заэвтектоидной.
Структурные
составляющие железоуглеродистых сплавов. В зависимости от температуры и концентрации
углерода железоуглеродистые сплавы имеют
следующие составляющие.
Аустенит - твердый раствор углерода
в γ-железе с предельной концентрацией
углерода 2,14 % при температуре 1147 °С; с
понижением температуры до 727 °С концентрация
углерода уменьшается до 0,8 %; сталь со
структурой аустенита имеет высокие пластичность
и вязкость. Аустенит не магнитен.
Феррит - твердый раствор углерода
в α-железе с предельной концентрацией
углерода 0,02 % при температуре 727 °С; сталь
со структурой феррита ферромагнитна
вплоть до температуры Кюри 770 °С, имеет
малую твердость и высокую пластичность.
Цементит - химическое соединение
железа с углеродом Fe3C (6,67 % С); ферромагнитен до температуры
Кюри 210 °С, имеет высокие твердость и хрупкость.
Перлит - механическая смесь
(эвтектоид) феррита и цементита, образующаяся
при эвтектоидном распаде аустенита (0,8
% С); сталь, имеющая структуру перлита
ферромагнитна, обладает повышенными
прочностью и твердостью.
Ледебурит (4,3 % С) - механическая
смесь (эвтектика) аустенита и цементита;
ниже температуры 727 °С аустенит превращается
в перлит, при этом образуется смесь перлита
и цементита - превращенный ледебурит.
Графит - углерод в свободном
состоянии, образующийся в чугунах в результате
распада цементита при медленном охлаждении.
Графит не магнитен, мягок и обладает низкой
прочностью.
Рис. 1.9. Диаграмма состояния
железо – цементит
11.Чугуны: классификация, маркировка, химический
состав, механические и технологические
свойства, применение.
Чугун – это сплав железа с углеродом
и некоторыми др. элем-и, в к-х содержание
углерода превышает 2,14%.
Св-ва чугунов определяются
мет. Матрицей, а так же кол-м, формой и
расположением графитовых включений.
В зависимости от этого чугуны делятся
на: белый чугун;серый чугун; высокопрочный
чугун; ковкий чугун; легированный чугун.
Белые литейные чугуны. Белыми
называются чугуны, в которых весь углерод
нах-ся в связанном состоянии в виде цементитаFe3C. Цементит
делает чугун твердыми хрупким, по этому
чугуны белые чугуны отличаются высокой
износостойкостью. Применяются для мелящих
шаров шаровых мельниц.Не маркеруются.
Серые чугуны-чугуны с пластинчатой формной
графита. Состав чугуна C, Si, Mn, S, P. Содержание
этих элементов следующее: C = 2,2 – 3,7
% , Si = 2% , Mn = 1%, P = 0,2%, S =0,1%.
В обозначениях марки чугуна буквы “СЧ”
обозначают “серый чугун”, а число
после букв – предел прочности при растяжении.
СЧ может иметь структуру: 1)феррит+графит;
2)ф.+прелит+гр; 3)п+г. По назначению СЧ
делится на 3 категории; 1)малоответственное
литьё(опоры, грузы СЧ10-СЧ15); 2) ответственное
литье(СЧ20-25, червячные и зубчатые колеса,
ф+п); 3) ответственное высоконагруженное
литье(СЧ30-45, п, поршневые кольца, коленвал).
Чугун обладает высокой хрупкостью и относительным
удлинением 0,3%.
Высокопрочные чугуны
- чугуны, в которых графит имеет шаровидную
форму. Получение в чугуне шаровидной
формы графита достигается при добавлении
некоторых химических элементов Mq, Ca, Ce
и т.д. в количестве 0,05—0,1 %. ВЧ имеет более
высокие механические св-ва чем СЧ.
По структуре металлической
основы ВЧ может быть ф, ф+п, п. Так же как
и у серых чугунов, наиболее высокими свойствами
обладает высокопрочный чугун с перлитной
структурой. В обозначении марки
чугуна буквы «ВЧ» обозначают «высокопрочный
чугун», а число после букв – предел прочности
при растяжении σB в кг/мм2.
Ковкие чугуны- называются
чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную
форму. Такие чугуны получаются путем
длительного отжига белого чугуна. Хлопьевидный
графит, в отличие от пластинчатого, меньше
снижает механические свойства металлической
основы, в следствии чего ковкий чугун
обладает более высокой прочностью и пластинчатостью,
чем серый чугун.
Для обеспечения получения
хлопьевидного графита после
отжига исходные белые чугуны
должны иметь пониженное содержание
углерода и кремния. Химический
состав исходного белого чугуна
находится в пределах:С=2,4-2,9% ,Si=1,0-1,6%
,Mn=0,2-1,05% , S<0,2%, P<0,18.%.
По структуре металлической
основы ковкие чугуны бывают ферритными
и перлитными. Перлитные ковкие чугуны
имеют более высокий предел прочности,
но пониженную пластичность.
В
основном ковкий чугун используется
для изготовления ответственных
отливок, испытывающих при эксплуатации
значительные динамические и
знакопеременные нагрузки (например,
коленчатые валы, ступицы грузовиков,
приводные цепи конвейеров и
др.)
В обозначении марки ковкого
чугуна буквы «КЧ» означают
«ковкий чугун». Первая пара цифр
- предел прочности в МПа, вторая
пара цифр-относительное удлинение
в %.(КЧ35-10)
Легированные чугуны - получаются
при введении в их состав легирующих компонентов
(Cr, Si, Al, Ni, Mn и др.) Легирование производится
для получения каких либо особых свойств:
износостойкости, жаростойкости, коррозионной
стойкости и др.
Из легированных чугунов
можно выделить следующие группы:
- износостойкие чугуны;
- жаростойкие чугуны;
- жаропрочные чугуны;
- коррозионностойкие чугуны;
- антифрикционные чугуны.
- Легированные чугуны маркируются по типу сталей: первые буквы означают вид чугуна: Ж-жаростойкий, А-антифрикционный, Ч-жаропрочный или коррозионностойкий. Следующие буквы обозначают наличие
легирующих элементов (Х-хром, С-кремний, Ю-алюминий, Д-медь, Н-никель, Г-марганец, М-молибден, В-вольфрам). Цифры после букв указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если цифры нет, то содержание легирующего элемента соответствует ~1 %.
Например, ЖЧЮ 7Х2- жаростойкий чугун,
алюминия –7 %, хрома –2 %.
Износостойкие чугуны. Износостойкость
чугуна повышается при увеличении в структуре
количества карбидов как простых (цементита),
так и специальных (карбидов хрома, вольфрама,
ванадия и т.д.). Применяется для корпусов
гидроциклонов.
Жаростойкие чугуны.Жаростойкие
чугуны используются для изготовления
деталей работающих в газовой, воздушной,
щелочной средах при температурах 500-1100°С.
Жаропрочные чугуны применяются
для изготовления деталей, работающих
под нагрузкой при повышенных температурах
( до 600°С ). Марки жаропрочных чугунов обозначаются
буквой «Ч», остальные обозначения такие
же, как у всех остальных. Буква «Ш» в конце
обозначения означает «с шаровидным графитом».
Коррозионностойкие чугуны применяются
для изготовления деталей с высокой
коррозионной стойкостью в различных
рабочих средах (морской воде, растворах
кислот, расплавах солей, в перегретом
водяном паре, в сернистых газах и т. д.).
Для повышения коррозионной стойкости
чугун легируется в основном Cr , Ni, Cu
и другими элементами, которые создают
на поверхности чугуна защитные (пассивирующие)
пленки, а так же легируют металлическую
матрицу (преимущественно, феррит) образуя
химические соединения с высоким химическим
потенциалом.
Антифрикционные чугуны. применяются
для изготовления подшипников скольжения,
работающих в присутствии смазки. Из антифрикционного
чугуна изготавливаются цилиндры, поршни,
станины, зубчатые колеса, втулки, вкладыши
подшипников и т.д. Наиболее важными свойствами
антифрикционного чугуна являются высокая
износостойкость, хорошие литейные свойства.
12.Виды термообработки и их характеристика
Термическую обработку стальных
деталей проводят в тех случаях, когда
необходимо либо повысить прочность, твердость,
износоустойчивость или упругость детали
или инструмента, либо, наоборот, сделать
металл более мягким, легче поддающимся
механической обработке.
В зависимости от температур
нагрева и способа последующего охлаждения
различают следующие виды термической
обработки: закалка, отпуск и отжиг. Закалка
придает стальной детали большую твердость
и износоустойчивость. Для этого деталь
нагревают до определенной температуры,
выдерживают некоторое время, чтобы весь
объем материала прогрелся, а затем быстро
охлаждают в масле (конструкционные и
инструментальные стали) или воде (углеродистые
стали). Обычно детали из конструкционных
сталей нагревают до 880-900С (цвет каления
светло-красный), из инструментальных
- до 750-760С (цвет темно-вишнево-красный),
а из нержавеющей стали - до 1050-1100С (цвет
темно-желтый). Нагревают детали вначале
медленно (примерно до 500С), а затем быстро.
Это необходимо для того, чтобы в детали
не возникли внутренние напряжения, что
может привести к появлению трещин и деформации
материала. Цвет каления стали Температура
нагрева C Темно-коричневый (заметен
в темноте)530-580; Коричнево-красный(580-650);
Темно-красный (650-730); Темно-вишнево-красный
(730-770);
Закалка стальных
деталейЗакалка придает стальной детали
большую твердость и износоустойчивость.
Для этого деталь нагревают до определенной
температуры, выдерживают некоторое время,
чтобы весь объем материала прогрелся,
а затем быстро охлаждают в масле (конструкционные
и инструментальные стали) или воде (углеродистые
стали). Обычно детали из конструкционных
сталей нагревают до 880-900С . Нагревают
детали вначале медленно (примерно до
500С), а затем быстро. Это необходимо для
того, чтобы в детали не возникли внутренние
напряжения, что может привести к появлению
трещин и деформации материала.Детали
сложной формы сначала охлаждают в воде
до 300-400С, а затем быстро переносят в масло,
где и оставляют до полного охлаждения.
Время пребывания детали в воде определяют
из расчета: 1с на каждые 5-6м сечения детали.
В каждом отдельном случае это время подбирают
опытным путем в зависимости от формы
и массы детали.Небольшие детали из малоуглеродистых
сталей (марки "3О", "35", "40")
слегка разогревают, посыпают железосинеродистым
калием (желтая кровяная соль) и вновь
помещают в огонь. Как только обсыпка расплавится,
деталь опускают в охлаждающую среду.
Железосинеродистый калий расплавляется
при температуре около 850С, что соответствует
температуре закалки этих марок стали.
Отпуск закаленных
деталей
Отпуск закаленных деталей уменьшает
их хрупкость, повышает вязкость и снимает
внутренние напряжения. В зависимости
от температуры нагрева различают низкий,
средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск применяют главным
образом при обработке измерительного
и режущего инструмента. Закаленную деталь
нагревают до температуры 150-250С (цвет побежалости
- светло-желтый), выдерживают при этой
температуре, а затем охлаждают на воздухе.
В результате такой обработки материал,
теряя хрупкость, сохраняет высокую твердость
и, кроме того, в нем значительно снижаются
внутренние напряжения, возникающие при
закалке.
Средний отпуск применяют в
тех случаях, когда хотят придать детали
пружинящие свойства и достаточно высокую
прочность при средней твердости. Для
этого деталь нагревают до 300-500С и затем
медленно охлаждают.
И наконец, высокому отпуску
подвергают детали, у которых необходимо
полностью снять все внутренние напряжения.
В этом случае температура нагрева еще
выше - 500-600С.
Термообработку (закалку и отпуск)
деталей простой формы (валики, оси, зубила,
кернеры) часто делают за один раз. Нагретую
до высокой температуры деталь опускают
на некоторое время в охлаждающую жидкость,
затем вынимают. Отпуск происходит за
счет тепла, сохранившегося внутри детали.
При отпуске небольших деталей
(как и при закалке) нагревают какую-нибудь
болванку и на нее кладут отпускаемую
деталь. При этом цвет побежалости наблюдают
на самой детали.