Министерство науки и высшего образования РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Тверской государственный технический университет»
Кафедра технологии металлов и материаловедения

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ и технология металлов
Вариант № 19


Выполнил:

студент 1 курса

группа Б.КТМ.ТМС.22.34

Шурукин В.А.
Проверил:

Доцент каф. ТМ и М

к.ф.-м.н

Ильяшенко С.Е

Оценка ________________

«_____»___________2020
Тверь 2023

Вариант 19

1. Углеродистые стали и чугуны.

а) Вычертить диаграмму состояния железо-цементит

б) Построить кривую охлаждения для сплава (с применением правила фаз), содержащего 1,1% углерода

в) Вычертите участок диаграммы Fe-Fe₃C для стали и нанесите на нем линии температур нагрева стали, содержащей 0,45% углерода для термической обработки (отжига, нормализации, закалки и отпуска).

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие:

• 
  ферритом (Ф) называется твердый раствор углерода в α-железе. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006% при комнатной температуре, максимальную – 0,02 % при температуре 727°С. Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 1392°С существует высокотемпературный феррит (δ), с предельной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499°С. Свойства феррита близки к свойствам железа: он мягок (твердость 130 НВ, предел прочности – 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение – 30%), магнитен до 768°С;
  
• 
  аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727°С, максимальную – 2,14% при температуре 1147°С. В обычных сталях аустенит устойчив только при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, относительное удлинение – 40…50%, парамагнитен;
  
• 
  цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом, соответствующее формуле Fe₃C с концентрацией углерода 6,67%. Аллотропных превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. Цементит, как фаза, может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся из жидкой фазы, называется первичным (Ц_I), из аустенита – вторичным (Ц_II), а из феррита – третичным (Ц_III). Температура плавления цементита точно не установлена. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217°С. Цементит имеет высокую твердость (800 НВ), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность;
  
• 
  перлит (П) [Ф+Ц] – механическая смесь (эвтектоид, т.е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Образуется при температуре 727°С в результате разложения аустенита, обладает высокой прочностью (до 800 МПа) и твердостью (НВ 200). Чем мельче включения феррита и цементита в перлите, тем выше показатели его механических свойств;
  
• 
  ледебурит (Л) [А+Ц] – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600…700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727°С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом.
  

---

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C и кривая охлаждения сплава, содержащего 1,1% углерода, представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Диаграмма состояния железо-цементит и кривая охлаждения сплава, содержащего 1,1% углерода

До температуры точки 1, лежащей на линии ликвидуса, сплав находится в жидком состоянии. При охлаждении чуть ниже точки 1 начинается процесс кристаллизации, и в сплаве появляются кристаллы аустенит. Аустенит – это твердый раствор углерода и γ-железе. Между точками 1 и 2 число кристаллов аустенита увеличиваются, а количество жидкой фазы уменьшается. В точке 2 происходит окончательное затвердевание аустенита. В интервале температур точек 2 и 3 никаких превращений не происходит, идет охлаждение аустенита. В точке 3 начинается процесс вторичной кристаллизации: из аустенита выделяется вторичный цементит, поскольку растворимость углерода в железе с понижением температуры уменьшается. Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃С. В интервале температур между точками 3 и 4 количество цементита увеличивается. При температуре точки 4, лежащей на линии PSK (линия эвтектоидного превращения), аустенит распадается, образуя механическую смесь – перлит. Перлит состоит из феррита и цементита вторичного. Феррит – это твердый раствор углерода в α-железе. При дальнейшем охлаждении вплоть до комнатной температуры в данном сплаве превращений больше не происходит, и конечная структура его состоит из перлита (феррит + цементит) и цементита вторичного. Сплав, содержащий 1% углерода, называется заэвтектоидной сталью.

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов:

С = К + П – Ф

где С – число степеней свободы (вариантность), т.е. число внешних и внутренних факторов, которое может изменяться без изменения числа фаз в системе;

К – количество компонентов (веществ, образующих систему);

П – число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), воздействующих на систему;

Ф – число фаз.

Так как рассматриваем влияние температуры (нагрев системы) на двухкомпонентную систему, то правило фаз можно записать следующим образом:

---

С = 2 + 1 – Ф

Число степеней свободы (согласно правилу фаз Гиббса) для заданного сплава в различных температурных интервалах:

С(выше 1) = 2+1-1 = 2 (фазы: жидкость)

С(1-2) = 2+1-2 = 1 (фазы: жидкость, аустенит)

С(2-3) = 2+1-1 = 2 (фазы: аустенит)

C(3-4) = 2+1-2 = 1 (фазы: аустенит, цементит)

С(по линии, соответствующей точке 4) = 2+1-3 = 0 (фазы: аустенит, феррит, цементит)

С(ниже 4) = 2+1-2 = 1 (фазы: феррит, цементит).

Если С = 2, то это обозначает, что в рассматриваемом диапазоне температур в сплаве существует только одна фаза, равновесие в системе не нарушится даже при одновременном изменении температуры и концентрации сплава в определенных пределах, температура будет падать быстро, линия охлаждения идет круто вниз.

Если С = 1, это обозначает, что в рассматриваемом диапазоне температур в сплаве существует две фазы, при изменение температуры изменится количество фаз, но равновесия не нарушится. Кривая охлаждения в этом диапазоне температур станет более пологой.

Если С = 0, это означает, что в рассматриваемом диапазоне температур в сплаве существует три фазы, находится в равновесии они могут только при постоянной температуре, на линии охлаждения наблюдается горизонтальный участок.

Сталь, содержащая 0,45% углерода является доэвтектоидной. На рисунке 2 представлен стальной участок диаграммы состояния железо-цементит с указанием линии заданного сплава и температур термических обработок.

Рисунок 2. Стальная часть диагаммы состояния с указанием температуры нагрева сталей при основных видах термообработки

Линии диаграммы железо-цементит, используемые для выбора режимов термической обработки, обозначают следующим образом: линия GS – точка А_с3, линия PSK – точка А_с1. При полном отжиге, закалке и нормализации сталь переводят в однофазное аустенитное состояние, т.е. нагревать сталь необходимо выше критической температуры А_с3 на 30…50°С. Температура критической точки А_с3 равна 755°С. Определяем температуры для различных видов термообработки заданной стали: для отжига, закалки и нормализации – 785…805°С.

Отжиг – нагрев стали выше температуры фазовых превращений выдержка при этой температуре до полного прогрева металла и завершения структурно-фазовых превращений и медленное охлаждение в камере выключенной печи. В результате медленного охлаждения сталь приближается к фазовому и структурному равновесию с минимальной плотностью дислокаций. Отжиг является, как правило, подготовительной операцией термообработки с целью умягчить сталь перед механической обработкой и подготовить ее структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность. Поэтому отжиг способствует повышению пластичности, вязкости.

---

Нормализация – нагрев стали, непродолжительная выдержка и охлаждение на спокойном воздухе. Нормализация вызывает перекристаллизацию стали и, следовательно, устраняет крупнозернистую структуру. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низкой температуре, что повышает дисперсность ферритно-цементитной смеси. Частично подавляется выделение феррита в доэвтектоидной стали, что повышает прочность и твердость нормализованной стали по сравнению с отожженной. Вследствие измельчения зерна улучшается вязкость стали. Для среднеуглеродистой стали, когда не требуется повышенных прочностных свойств, нормализация заменяет закалку. Механические свойства ниже, но операция нормализации проще и вызывает меньшую деформацию изделий по сравнению с закалкой.

Закалка – нагрев стали, выдержка и последующее быстрое охлаждение в воде или масле. Температура полной закалки обеспечивает получение при нагреве мелкокристаллического аустенита, а после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита (пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железо), который является самой твердой железоуглеродистой стали. Цель закалки – придание высокой твердости и прочности за счет получения неравновесных структур. Эти неравновесные структуры можно получить лишь при очень высоких скоростях охлаждения.

Отпуск – это операция термической обработки, при которой закаленную сталь нагревают до температуры ниже критической точки А_с1, после чего ее охлаждают. В любой закаленной на мартенсит стали появляются не только высокая твердость и прочность, но и большие внутренние напряжения. Поэтому закаленная сталь очень хрупка и легко разрушается от ударных и изгибающих нагрузок. Для снятия внутренних напряжений и повышения вязкости закаленную сталь подвергают отпуску.

В зависимости от требований, предъявляемых к изделиям, их подвергают отпуску при различных температурах.

Низкий (низкотемпературный отпуск) проводят при температурах не выше 250…300°С. При таких температурах происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц карбида железа. Образующаяся структура, состоящая из частичного обезуглероженного мартенсита и карбидов, называется отпущенным мартенситом. Выход некоторого количества углерода из решетки мартенсита способствует уменьшению ее искажения и снижению внутренних напряжений. При таком отпуске несколько повышается прочность и вязкость без заметного снижения твердости. В целом изменение свойств при низком отпуске незначительно.

---

Средний (среднетемпературный) отпуск выполняют при температурах 350…500°С. При таких температурах происходит дальнейшее обезуглероживание мартенсита, приводящее к его превращению в феррит. Одновременно происходит карбидное превращение. В результате образуется феррито-цементитная смесь, называемая троститом отпуска. Наблюдается снижение твердости до величины 40…50 HRC, а также снижение внутренних напряжений.

Высокий (высокотемпературный) отпуск проводят при 500…600°С. Структурные изменения при таких температурах заключаются в укрупнении (коагуляции) частиц цементита. В результате этого образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска. Также, как и тростит отпуска, эта структура характеризуется зернистым строением в отличие от пластинчатых структур тростита и сорбита закалки. Твердость стали после высокого отпуска снижается до 25…35 HRC.
2. Расшифровать марку стали У13, определить группу по назначению, привести примеры изготавливаемых из этой стали изделий, технологии их упрочнения.

Сталь У13 – сталь углеродистая инструментальная, содержит 1,3% углерода. Применение стали У13: инструменты повышенной износостойкости, работающие при умеренных и значительных давлениях без разогрева режущей кромки.

Термическая обработка инструментальной стали для придания инструменту необходимых эксплуатационных характеристик включает смягчающий отжиг перед изготовлением инструмента и окончательную термическую обработку – закалку с отпуском инструмента.

Целью предварительной термической обработки является получение оптимальных структуры и свойств в исходном состоянии. Часто в углеродистых сталях, в том числе и инструментальных, при проведении термической обработки проблематичным оказывается тот факт, что после предыдущих обработок в стали получается пластинчатая структура, неблагоприятная для последующей механической обработки и для заключительной термической обработки.

Зернистая структура является оптимальной исходной структурой перед закалкой – после окончательной термической обработки получаются выше однородность, меньше склонность аустенита к росту зерна, меньше деформация изделий и опасность появления трещин, выше прочность и вязкость в закаленном состоянии.

---

Смотрите также файлы

• Бланк выполнения задания 1 Заполните таблицу.docx

• Напомню, что такое гипотезы.docx

• Семинарское занятие 1 1 вопрос Особенности проведения реформ в России в первой половине xix в. Бюрократы реформаторы.docx

• 2. Какие проблемы труднее познавать, мнению Аристотеля наиболее общие или частные.docx

• Мой любимый предмет.doc