А. В. Черноглазова, Ф. Н. Куртаева

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. А.Н.ТУПОЛЕВА

 

А.В. ЧЕРНОГЛАЗОВА, Ф.Н.КУРТАЕВА

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Практикум

Казань 2011

 

Министерство образования Российской Федерации

 

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н.ТУПОЛЕВА

 

БУГУЛЬМИНСКИЙ ФИЛИАЛ

_______________________________________________________________

 

 

А.В. ЧЕРНОГЛАЗОВА, Ф.Н.КУРТАЕВА

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

Практикум

 

Под редакцией проф.Э.Р.Галимова

 

Рекомендовано к печати Учебно-методическим центром

КГТУ им. А.Н.Туполева

 

 

Бугульма 2011

УДК 620.1(076.5)

 

 

А.В. ЧЕРНОГЛАЗОВА, Ф.Н.КУРТАЕВА: «Материаловедение» Практикум Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та

 

ISBN

 

Приводится описание основных типов ди­аграмм фазового равновесия реальных двойных систем, возможности их использования для изучения превращений, происходящих в сплавах, анализа и расчета фазо­вого и структурного составов системы при заданных температурах; дается анализ превращений, происходящих в сплавах системы «железо – цементит», при образовании фаз и структур, и рассматриваются способы опре­деления состава и весового количества фаз при заданных темпе­ратурах. Приводится описание основных видов термической обработки, превращений происходящих при нагреве, при охлаждении сталей. Рассмотрено влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали.

 

Предназначено для научных сотрудников и студентов направлениям 150600, 150700. 160100

 

Табл.11. Ил24. Библиогр.: назв.

 

 

Рецензент: докт.хим.наук, профессор

Казанского государственного

технологического университета. Р.З.Гильманов

 

 

ISBN Ó Изд-во Казан. гос. техн. ун-та,2011.

Ó А.В.Черноглазова,Ф.Н.Куртаева, 2011.

 

Практическое занятие №1

АНАЛИЗ ДИАГРАММ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ

 

При выборе материалов для изготовления различного рода изделий, использующихся в широком диапазоне условий экс­плуатации, необходима оценка их физико-химических, механи­ческих и технологических свойств и возможностей изменения последних. Рациональный подход к такой оценке дают знание диаграмм фазового равновесия и умение их анализировать.

К настоящему времени изучено около 10 тыс. диаграмм состоя­ния двойных систем, и число их продолжает расти.

Цель практической работы – изучение основных типов ди­аграмм фазового равновесия реальных двойных систем, приоб­ретение практических навыков их использования для изучения превращений, происходящих в сплавах, анализа и расчета фазо­вого и структурного составов системы при заданной температуре.

Основы теории

1.1. Способ и условия построения диаграмм фазового равно­весия

Для построения диаграмм фазового равновесия используют термический анализ. Для этой цели экспериментально получа­ют кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам или остановкам, связанным с тепловыми эффектами превра­щений, определяют температуры соответствующих превраще­ний. Эти температуры называют критическими точками. Для количественного и качественного изучения этих превращений в твердом состоянии используют различные методы физико-химического анализа: микроанализ, рентгеноструктурный, маг­нитный и др.

Как правило, диаграммы фазового равновесия строят в ко­ординатах температура – концентрация в процентах по массе или атомных процентах компонента. Диаграммы фазового рав­новесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов и дают наглядное представление о процессах, про­исходящих в сплавах системы при нагреве и охлаждении.

Пример построения диаграммы фазового равновесия приво­дится в подразделе «Эвтектическая диаграмма состояния непре­рывных твердых растворов», а для системы «олово – цинк» – в приложении П1.

Практическая часть

2.1. Порядок выполнения работы

Для выполнения задания необходимо:

2.1.1. Получить у преподавателя номер варианта и выписать индивидуальное задание из таблицы 1.

2.1.2. Начертить в масштабе анализируемую диаграмму состо­яния.

2.1.3. Дать буквенные обозначения всем линиям диаграммы состояния.

2.1.4. Определить, к какому типу (см. рис. 1) относится диаграмма состояния.

2.1.5. Провести фазовый и структурный анализы диаграммы состояния.

2.1.6. Рассчитать составы твердых растворов (при их наличии в системе).

2.1.7. Написать практическую часть отчета о работе в соответ­ствии с вышеуказанными пунктами задания.

Таблица 1.

Перечень диаграмм состояния двойных сис­тем для выполнения индивидуального задания.

Номер варианта	Наименование диаграммы состояния	Краткая характеристика сплавов системы
	Ag – La	Сплавы серебра используют как материал для слаботочных контактов, в виде гальванических покрытий и тонких токопроводящих пленок в печатных платах, в монтажных проводах
	Al-Ca	Диаграмма представляет интерес для изучения свойств строительных материалов
	Al-Cu	Наиболее распространенные алюминиевые спла­вы. Их свойства в значительной степени опре­деляются содержанием меди
	Al-Si	Состав сплавов силуминов близок к эвтектиче­скому, и поэтому они отличаются высокими литейными свойствами, а отливки большой плотностью. Эти сплавы сравнительно легко обрабатываются резанием; их используют в авто- и авиастроении для изготовления дета­лей сложной конфигурации
	Bi-Te	Сплавы висмута с теллуром используют для изготовления термоэлектрических генераторов. Теллурид висмута Bi2Te3 относится к сложным полупроводникам, обладающим сильной ани­зотропией свойств даже в пленочных образцах
	Ca-Pb	Сплавы этой системы (кальциевые баббиты) обладают антифрикционными свойствами. Кальциевые баббиты получили большое рас­пространение на железнодорожном транспорте (подшипники вагонов и коленчатого вала теп­ловозных дизелей и т.д.)
	Cr-Ni	Сплавы никеля с хромом (нихромы) обладают высоким омическим сопротивлением с рабочей температурой до 1050"С и используются для нагревателей электрических печей, бытовых приборов, а также в резисторах, терморезисто­рах и тензодатчиках
	Си – Zr	Использование циркония в медных сплавах обеспечивает им высокие прочностные харак­теристики в сочетании с особыми свойствами (жаропрочность, коррозионная стойкость)
	K-Bi	Сплавы калия с висмутом используют в каче­стве припоев
	Mg- Ce	Введение церия в в магниевые сплавы измель­чает зерно, улучшает механические свойства и деформацию сплавов в холодном состоянии. Применяют для производства сварных деталей и конструкций без термообработки
	Mg-Ni	Введение никеля в магниевые сплавы повы­шает их сопротивляемость коррозии
	Mg-Pb	Сплавы обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью, хорошо поглощают виб­рации, что в основном предопределило их ис­пользование в авиационной и ракетной технике. Они отличаются высокой теплопроводностью и поэтому используются в производстве нагру­женных деталей двигателей (коробки передач, тормозные барабаны и др.)
	Ni-Nb	Система представляет интерес при изучении многокомпонентных сплавов на основе железа (например, Fe-Ni-AI-Nb), используемых для изготовления малогабаритных магнитов
	Ti-Cu	Легирование титана медью влияет на стабили­зацию его полиморфных модификаций
	Ti-Mn	Сплавы применяются в авиации, ракетной тех­нике, химическом машиностроении. Легирова­ние титана марганцем повышает его прочность
	Ti-Ni	Сплавы этой системы обладают эффектом «па­мяти формы», т.е. после пластической деформа­ции они восстанавливают свою первоначаль­ную геометрическую форму или в результате нагрева, или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). Сплавы на основе мононикелида титана NiTi (нитинол) обладают
высокой прочностью, пластичностью, корро­зионной и кавитациониой стойкостью и демп­фирующей способностью. Нитинол применяют как магнитный высокодемпфирующий мате­риал в автоматических прерывателях тока, за­поминающих устройствах, в температурно-чувствительньгх датчиках
	V-Si	В этой системе образуются материалы, относя­щиеся к группе бескислородной керамики, – силициды (MeSi), которые обладают высокой огнеупорностью, твердостью и износостойкостью по отношению к агрессивным средам
	W-C	Система позволяет изучить условия образования различных карбидов вольфрама, получение ко­торых необходимо при производстве быстро­режущих сталей, относящихся к ледебуритному классу
	Zr-Mo	Металлы, входящие в состав этой системы, отно­сятся к тугоплавким с температурой плавления выше 2500°С, поэтому их сплавы используют, главным образом как жаропрочные
	Zr- V	Тугоплавкие соединения циркония, обладающие сравнительно высокой электропроводностью, применяют для изготовления анодов и сеток электронных приборов, пленок для печатного монтажа

Примечание. Для всех вариантов соответствующие диаграммы состояний приведены в приложении I.

2.2 Пример построения диаграммы состояния (система «олово – цинк»)

Для построения диаграммы методом термического анализа необходимо получить кривые охлаждения чистых металлов и ряда их сплавов. В данном случае проведено исследование чис­тых металлов олова и цинка, а также их сплавов: доэвтектического (4% Zn + 96% Sn), эвтектического (9% Zn + 91% Sn) и двух сплавов заэвтектических (20% Zn + 80% Sn и 50% Zn + 50% Sn) составов (рис. 8).

После проведения термического анализа указанных металлов и сплавов для получения критических точек необходимо постро­ить кривые их кристаллизации. По полученным данным строится диаграмма состояния системы Sn – Zn (см. рис.8).

Для теоретической проверки правильности построения диаг­раммы состояния и анализа кривых охлаждения пользуются правилом фаз:

С=К-Ф+1,

где С – число степеней свободы, т.е. число изменяющихся внешних и внутренних факторов (температура, концентрация, давление); К– число компонентов; Ф – число фаз.

Под числом степеней свободы системы понимается число неза­висимых переменных факторов, которое можно изменить при сохранении числа фаз в системе. В качестве примера рассмот­рим кристаллизацию сплавов системы Sn – Zn (см. рис.8).

Кристаллизация сплава эвтектического состава этой системы (9% Zn + 91% Sn) происходит при постоянной температуре, и в системе сосуществуют три фазы (жидкость + кристаллы цинка + + кристаллы олова). В соответствии с правилом фаз число сте­пеней свободы равно нулю:

С=К-Ф+ 1 = 2-3+ 1 = 0,

т.е. система безвариантна, и любое изменение температуры или концентрации вызовет нарушение равновесия. Наличие горизонтального участка на кривой охлаждения (см. рис. 8) сплава показывает постоянство температуры. Температура остается по­стоянной до полного исчезновения одной из фаз, т.е. жидкости. Кристаллизация до- и заэвтектических сплавов происходит в интервале температур между линиями ликвидуса и солидуса. При этом сплавы состоят из кристаллов олова и цинка в зависи­мости от состава жидкости, т.е. Ф–2. Число степеней свободы равно единице: С= 2 – 2+1 = 1. Здесь система одновариантна, что позволяет, сохраняя равновесие сплава, произвольно менять либо температуру (зависимой переменной будет концентрация), либо концентрацию (зависимой переменной будет температура). В системе олово – цинк при комнатной температуре суще­ствуют две твердые фазы: кристаллы олова и цинка. Взаимная растворимость этих металлов в твердом состоянии незначи­тельна, поэтому олово и цинк практически считают не раство­ряющимися друг в друге. По составу и структуре сплавы данной системы делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Рис. 8 Кривые охлаждения сплавов системы Sn-Zn и ее диаграмма состояния

Структура доэвтектических сплавов (менее 9% Zn) состоит из избыточных кристаллов олова и эвтектики. Микроструктура эвтектического сплава, содержащего 9% Zn и 91% Sn, состоит из механической смеси мелких зерен двух фаз – олова и цинка. Структура заэвтектических сплавов (более 9% Zn) состоит из избыточных кристаллов цинка и эвтектики.

3. Термины и определения.

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) – графическое изображение соотношения между параметрами состояния (температурой, давлением, составом) термодинами­чески равновесной системы, т.е. фазового состояния любого сплава изучаемой системы компонент в зависимости от его концентрации.

Компонент – составная часть, в данном случае химический элемент, образующий сплав.

Конода – горизонтальный отрезок, концы которого ограни­чены равновесными сосуществующими фазами и содержанием в них компонентов; характеризует состав фаз, находящихся в равновесии.

Ликвидус – геометрическое место точек начала затвердева­ния бинарных сплавов с различным содержанием компонентов на диаграмме состояния.

Линии фигуративных точек – вертикальные линии на диаг­рамме состояния, соответствующие определенному химическому составу сплава.

Линия предельной растворимости – линия на диаграмме состояния бинарных сплавов, характеризующая изменение растворимости компонента с изменением температуры.

Перитектика – структурная составляющая сплава, пред­ставляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся за счет ранее выделившейся твердой фазы и закристаллизовав­шейся жидкой части сплава определенного состава.

Раствор твердый – однофазный в твердом состоянии сплав, в котором соотношение компонент может быть переменным и один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристал­лическую решетку, а атомы другого (или других) компонента располагаются в решетке этого компонента, изменяя ее разме­ры (периоды решетки).

Система (гетерогенная) – макроскопически неоднородная термодинамическая система, состоящая из различных по физи­ческим свойствам или химическому составу частей (фаз).

Соединение химическое – фаза, кристаллическая решетка ко­торой отличается от решеток компонентов, ее образующих. В химическом соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов А_mВ_n, где m и n – простые числа.

Солидус – на диаграмме состояния геометрическое место точек конца затвердевания бинарных сплавов с различным со­держанием компонентов.

Составляющая структурная – часть сплава (однофазная или многофазная), имеющая характерную (однообразную) структуру и отделенная от остальных частей сплава поверхностя­ми раздела.

Состав фазовый – количественная характеристика содержания в материале различных фаз.

Состав химический – количественная характеристика содер­жания в материале химических элементов.

Строение – совокупность устойчивых связей вещества, обес­печивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е. сохранение основных свойств.

Точки фигуративные – точки на диаграмме состояния, опре­деляющие фазовый и химический состав системы при заданной температуре.

Фаза – термодинамически равновесное состояние вещества, характеризующееся агрегатным состоянием, атомным (молекуляр­ным) составом и строением, а также отделенное пространствен­ными границами от других возможных равновесных состояний (фаз) того же вещества.

Эвтектика – структурная составляющая сплава, представ­ляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся при од­новременной кристаллизации двух (или более) фаз из расплава.

Эвтектоид – структурная составляющая сплава, представ­ляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся при од­новременной вторичной кристаллизации двух (или более) фаз из твердого раствора

Практическое занятие №2

Основы теории

Общие сведения

Основными компонентами сталей и чугунов являются железо и углерод. Железо – металл серого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Температура плавления железа 1539°С. Же­лезо имеет две полиморфные модификации: α -железо, существую­щее при температуре ниже 910°С; γ-железо, существующее в ин­тервале температур 910– 1392°С; оно парамагнитно.

Кристаллическая решетка α-железа объемно-центрированная кубическая с периодом решетки 0,286 нм. До температуры 768°С железо ферромагнитно. Температуру 768°С, соответствующую переходу α-железа из ферромагнитного состояния в парамагнит­ное, называют точкой Кюри. Кристаллическая решетка γ-железа гранецентрированная кубическая.

Углерод – неметаллический элемент, атомный номер 6, плот­ность 2,5 г/см³, температура плавления 3500°С. Углерод раство­рим в железе в жидком и твердом состоянии, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высоко­углеродистых сплавах – в виде графита.

Рис. 9. Диаграмма состояния «железо – углерод»: 1 – метастабильная

система; 2 – стабильная система

 

Углерод может находиться в равновесии с жидкой фазой и с твердыми растворами на основе железа в виде цементита (мета-стабильное равновесие) или графита (стабильное равновесие) в зави­симости от внешних условий. Это обстоятельство определяет два варианта диаграммы состояния «железо – углерод» (рис.9). Большее практическое значение имеет метастабильная диаграм­ма состояния. С помощью этой диаграммы объясняют не только превращения, происходящие в сталях и белых чугунах. Она яв­ляется основой для выбора оптимальных режимов термообра­ботки железоуглеродистых сплавов.

Наряду с основными компонентами в этих сплавах имеются постоянные технологические примеси, которые могут оказывать существенное влияние на их свойства и формирование струк­туры.

В системе Fe – Fe₃C различают следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цемен­тит (в том числе первичный, вторичный и третичный).

К структурным составляющим в системе Fe – Fe₃C, наряду с перечисленными выше фазами, относятся ледебурит и перлит.

1.2. Анализ фазового состава диаграммы состояния «железо – цементит»

Рассмотрим области диаграммы состояния «железо – цемен­тит», которые отвечают равновесным состояниям сплавов систе­мы, и основные фазовые превращения.

Однофазные области диаграммы состояния Fe – Fe₃C:

• жидкая фаза L – расплавы выше линии ликвидуса ABCD;

• феррит Ф: высокотемпературная область – левее линии AHN; низкотемпературная область – левее линии GPQ;

• аустенит А – область ограничена линией NJESG;

• цементит Ц– вертикальная линия DFKL.

В двухфазных областях в равновесии находятся:

• жидкий раствор и кристаллы феррита (АВН);

• кристаллы феррита и аустенита (HJN и GSP);

• жидкий раствор и кристаллы аустенита (JBCE);

• жидкий раствор и цементит (CDF);

• кристаллы аустенита и цементита (SECFK);

• кристаллы феррита и цементита (QPSKL).

Трехфазным равновесным состояниям сплавов отвечают гори­зонтальные линии на диаграмме состояния:

• при t = 1499°C (линия HJB) в сплавах с концентрацией уг­лерода от 0,1 до 0,51% происходит перитектическое превраще­ние в результате взаимодействия кристаллов феррита с жидким раствором:

L_(B)⁺ Ф_(Н) → A_(J) - аустенит; (1)

• при t– 1147°С (линия ECF) в сплавах с концентрацией уг­лерода от 2,14 до 6,67% происходит эвтектическое превращение:

L_(c) → A_(E) + Ц – ледебурит; (2)

• при t = 727°С (линия PSK) в сплавах системы с концентраци­ей углерода более 0,02% происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механичес­кую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита:

A_{S) → Ф_(р)+ Ц – перлит. (3)

Составы и количества фаз в системе «железо – цементит» можно определить на коноде с помощью правила отрезков. Структурный качественный и количественный состав сплавов определяется также с помощью коноды, однако ее концы дол­жны быть ограничены линиями соответствующих структурных составляющих.

 

1.3. Анализ структурного состава

Формирование структур в сплавах можно изучить, анализи­руя по диаграмме процессы, происходящие в них при охлажде­нии или нагревании. Рассмотрим области диаграммы, которые отвечают равновесным состояниям сплавов системы.

В процессе эвтектического превращения жидкий раствор зат­вердевает в виде ледебурита. Во всех сплавах системы с концен­трацией углерода более 0,02% при температуре 727°С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, причиной которого явля­ется полиморфное превращение Fe → Fe_α В результате эвтектоидного превращения происходит распад аустенита, приводящий к образованию перлита. Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся за счет изменения растворимости при пониже­нии температуры из жидкой фазы, называют первичным (Ц₁), из аустенита – вторичным (Ц₂), а из феррита – третичным (Ц₃).

Проследим за формированием структуры сталей с содержа­нием углерода 1,5% при их медленном охлаждении, начиная с температуры 1600°С. Критические точки, соответствующие тем­пературам превращений, показаны на фигуративных линиях рис. 10.

 

Рис. 10. Схема для изучения превращений, происходящих в стали с содер­жанием углерода 1,5% при медленном охлаждении: а – диаграмма состояния; б – кривая кристаллизации сплава

Схема структур и состав фаз, а также структурных составляю­щих для рассматриваемого случая приведены в таблице 2.

До температуры 1450°С (точка 1) заэвтектоидная сталь с 1,5% углерода находится в жидком состоянии. При t= 1450°C начинается процесс кристаллизации. В интервале температур 1450 – 1250°С (точки 2, 3) в сплаве сосуществуют две фазы: жидкий раствор и аустенит. В интервале температур 1250 – 950°С (точки 3, 4) сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений; состав спла­ва представлен аустенитом. При охлаждении сплава ниже 950°С (точка 4) аустенит с концентрацией углерода 1,5% становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диф­фундирует к их границам и здесь выделяется в виде цементита вторичного.

Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 950 до 727°С (точки 4, 5) изменяется согласно линии ES от точки 4 к точке S:

Таблица 2.

Схема структур и состав фаз, а также структурных составляющих для структурного анализа диаграммы состояния Fe – Fe3C (заэвтектоидная сталь; 1,5% С)

Номер области	Схема структуры	Состав фаз и структурных составляющих
1-2		t > 1450°С L = 100% (жидкий раствор)
2-3		T = 1450-1250°С L + A (жидкий раствор + аустенит)
3-4		t = 1250-950^оС А = 100% (аустенит)
4-5		t = 950-727^оС А + ЦII (аустенит + цементит вторичный)
5-6		t = 727-600°С П + ЦII + ЦIII (перлит + цементит вторичный + цементит третичный)
Примечание. Цементит третичный визуально, как правило, не идентифицируется

При температуре 727°С (точка 5 ) в сплаве происходит эвтектоидное превращение, в результате которого образуется перлит. Ниже температуры 727°С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного (Ц_III) (точ­ки 5, 6).

В качестве примера рассмотрим расчет весового количества структурных составляющих и фаз с помощью правила отрезков в заэвтектоидной стали с 1,5% углерода при 600°С.

Содержания структурных составляющих определяются после­довательно по мере их образования в процессе охлаждения сплава с применением правила отрезков для двух сосуществую­щих фаз или структурных составляющих по коноде abcbdef. Ве­личину отрезков будем измерять в процентах углерода. Считаем, что концентрация в точке а 0,01% углерода.

Определим фазовый состав в точке 6:

Количество структурных составляющих в точке 6:

Учитывая некоторые особенности в использовании коноды для области диаграммы, где находятся три структурные состав­ляющие, рассмотрим расчет для такого случая на примере точки 7 (содержание углерода 4% при температуре 600°С):

Практическая часть

2.1. Порядок выполнения анализа диаграммы состояния «железо – цементит»

2.1.1.Вычертить диаграмму состояния Fe – Fe₃C с указанием температур превращений и концентраций углерода для харак­терных точек.

2.1.2.Указать фазы и структурные составляющие в различных областях диаграммы.

2.1.3.Определить составы и весовое количество (%) фаз и структурных составляющих при температурах для варианта, ука­занного преподавателем. При выполнении расчетных задач в перитектической области диаграммы использовать данные по фрагменту этой диаграммы, представленные на рис. 11.

 

Рис. 11. Фрагмент (высокотемпературная область) диаграммы «железо–углерод»

 

2.2. Примерный перечень вариантов индивидуальных заданий представлен в таблице 3.

 

Таблица 3.

Индивидуальные задания по анализу диаграммы состояния Fe-C.

Номер варианта	Содержание углерода, %	Темпера­тура, °С	Номер варианта	Содержание углерода, %	Темпера­тура, °С
	0,05			1,6
	0,12			2,3
	0,16			2,5
	0,20			2,8
	0,35			3,0
	0,40			3,5
	0,50			3,8
	0,60			4,2
	0,80			4,5
	1,0			5,0
	1,2			5,5
	1,4			6,0

 

3. Термины и определения.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. (предельная растворимость углерода в γ-железе – 2,14%).

Ледебурит – структурная составляющая (эвтектика) желе­зоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представ­ляющая собой механическую смесь кристаллов аустенита и це­ментита, образующихся в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% углерода.

Перлит – структурная составляющая (эвтектоид) железоуг­леродистых сплавов, представляющая собой механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, образующихся при распаде аустенита во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при t = 727°С.

Сталь – железоуглеродистый сплав, содержащий 0,02–2,14% углерода. По содержанию углерода и наличию структурных со­ставляющих различают: доэвтектоидные (углерода 0,02–0,83%), эвтектоидные (углерода 0,83%), заэвтектоидные (углерода 0,83– 2,14%) стали.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в а-железе. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный 5-феррит с предель­ной растворимостью углерода 0,1%.

Цементит Fe₃C – химическое соединение железа с углеро­дом (карбид железа) с концентрацией углерода 6,67%.

Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода. По содержанию углерода и наличию структурных составляющих различают чугуны: доэвтектические (углерода 2,14–4,3%), эвтектические (углерода 4,3%) и заэвтектические чугуны (углерода 4,3–6,67%).

Чугуны белые – чугуны, кристаллизующиеся подобно углеро­дистым сталям по метастабильной диаграмме состояния Fe – Fe₃C (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита; имеет белый блестящий излом).

Практическое занятие №3

Основы теории

1.1 Н агрев при термообработке.

Условия нагрева определяются в зависимости от нагревательных устройств. Ими могут быть на­гревательные печи топливные или электрические, соляные ван­ны или ванны с расплавленным металлом. Нагрев может осу­ществляться также пропусканием через изделие электрического тока или индукционный нагрев токами промышленной или высокой частоты.

С точки зрения производительности нагрев необходимо осу­ществлять с максимальной скоростью. Форсированный нагрев уменьшает также окалинообразование, обезуглероживание ста­ли, рост аустенитного зерна. Однако при этом необходимо учесть возникающий перепад температуры по сечению изделия, вследствие чего в металле возникают термические напряжения, которые могут усиливаться фазовыми напряжениями, если фа­зовые превращения в разных сечениях протекают в разное время. Если растягивающие внутренние напряжения превысят σ_т или σ _в. стали, то возможно, коробление или образование тре­щин.

Допускаемая скорость нагрева может быть тем выше, чем менее легирована сталь, однороднее ее макро- и микрострук­тура, проще конфигурация изделия и равномернее подвод тепла к нему.

Время выдержки в печи при термической обработке деталей зависит от формы и размеров изделия. Ориентировочные нормы нагрева стали приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Ориентировочные нормы нагрева стали при термической обработке в лабораторных электрических печах

Температура нагрева, ºC	Форма изделия
круг	квадрат	пластина
Продолжительность нагрева, мин.
на 1 мм диаметра	на 1 мм толщины
			4,0
	1,5	2,2	3,0
	1,0	1,5	2,0
	0,8	1,2	1,6
	0,4	0,6	0,8

 

На практике для изделий из углеродистых машинострои­тельных сталей выбирают скорость нагрева в печах 0,8... 1 мин на 1 мм сечения (толщины пластины, диаметра цилиндра). При нагреве в соляных ваннах время нагрева уменьшается в 2 раза, в расплавленном - свинце — в 3 - 4 раза. Скорость нагрева леги­рованных сталей уменьшается на 25 - 40%.

Условия нагрева при массовом производстве отрабатываются опытным путем.

Практическая часть

Термической обработке

Время нагрева деталей включает два этапа.

Первый этап - от начала нагрева до достижения в камере печи заданной температуры садки – τ₁. По мере достижения в печи заданного значения температуры начинает работать терморегулятор, поддерживая ее неизменной.

В течение второго этапа нагрев деталей осуществляется при постоянной температуре печи – τ₂.

τ = τ ₁ + τ₂ , где

τ – общее время нагрева деталей, мин.

 

τ₁ = , где

G – масса деталей, кг

с – средняя удельная теплоемкость, дж/кг · с

t_зад. – заданная температура, ⁰С

t_нач. – первоначальная температура, ⁰С

q_n – тепловой поток, Вт/м² · 10³

F_изд. – тепловоспринимающая поверхность деталей.

, где

Р_печи - мощность печи, кВт

Р_пот. – мощность тепловых потерь печи, кВт.

τ₂ = , где

z – удельное время нагрева, мин/см

s – толщина нагреваемого металла, см.

Порядок выполнения работы

1. Получить индивидуальное задание.

2. Проанализировав условия задачи (таблица 6), выполнить расчёт времени нагрева детали при ТО по методике, указанной в пункте 2.1.

3. Записать отчёт о работе.

 

Пример выполнения задания

Вэлектрической камерной печи мощностью 25 кВт/ч производится нагрев шести стальных брусков размерами 700х100х100 мм до 860⁰ С. Бруски укладываются в печь в один ряд, вплотную, нагрев – двухсторонний. Температура печи 900⁰ С; С = 0,67 · 10³ Дж/кг · с; мощность холостого хода 5 кВт/ч. Рассчитать время нагрева детали для ТО.

Расчет:

F_изд. = 2 · 0,7 · 6 · 0,1 = 0,84 м²

G_изд. = 7,8 · 0,7 · 0,1 · 0,1 · 6 = 0,328 т = 328 кг

q_n = · 10³ = 23800 Вт/м²

τ₁ = = 2,46 ч

807⁰С – (t_зад.- t_нач.) – температура на первом этапе нагрева (определяется дополнительными расчетами).

τ₂ = = 15,7 мин=0,25 ч

9,4 – удельное время нагрева для низколегированных сталей.

Общее время нагрева деталей τ = τ ₁ + τ₂ = 2,46 +0,25 = 2,71 часа.

Исходные данные для выполнения индивидуального задания

Практическое занятие №4

Теоретические основы

Нормализация стали.

При нормализации сталь нагревают выше температуры A_С3 или A_С1на З0-50°С, рис. 15а. После выравнивания темпе­ратуры по всему сечению детали охлаждаются на спокойном воз­духе. Таким образом, по режиму нормализация является проме­жуточной операцией между отжигом и закалкой. Основной целью нормализации является получение мелкозернистой одно­родной структуры; устранение цементитной сетки в структуре заэвтектоидной стали; частично снятие внутренних напряжений и наклепа; для улучшения штампуемости и обрабатываемости резанием. Нормализация иногда является также предваритель­ной операцией перед окончательной термической обработкой. Низкоуглеродистая сталь после нормализации имеет мелкозер­нистую структуру феррита и перлита. Поэтому нормализация этих сталей обычно используется вместо отжига с фазовой пе­рекристаллизацией как более экономичная термическая обра­ботка.