Анализ диаграммы состояния системы железо-цементит

1. Анализ диаграммы состояния системы железоцементит и сплава с содержанием углерода 0,4%

1.1 Диаграмма и её описание

1.2 Структурные составляющие и фазы во всех областях диаграммы и их определение с указанием твердости

1.3 Кривая охлаждения и её описание с применением правила фаз для сплава содержанием углерода 0,4%

1.4 Содержание углерода в фазах и количественное отношение этих фаз при температуре 1500? С для заданного сплава

1.5 Микроструктура заданного сплава при температуре 18? С и описание механических и технологических свойств

2. Материал и вид термической обработки (химико-термической обработки) для детали винт

2.1 Расшифровка выбранной марки стали и указание, к какой группе она относится

2.2 Вид и режим термической обработки

2.3 Влияние легирующих элементов на всех этапах термической обработки

2.4 Основные свойства детали, приобретённые после термической обработки

2.5 Микроструктура стали после термической обработки и отдельные структурные составляющие указанием твёрдости Список используемых источников

1. Анализ диаграммы состояния системы железо-цементит и сплава с содержанием углерода 0,4%

1.1 Диаграмма и её описание Рисунок 1

На рисунке 1 приведен упрощенный вид цементитной диаграммы.

По вертикальной шкале представлена температура от 600? С до 1600? С, а по горизонтальной — количество углерода в сплаве. Наибольшее количество углерода по диаграмме (6,67%) соответствует массовому содержанию углерода в химическом соединении — цементите. Следовательно, компонентами, составляющими сплавы этой системы, будут, с одной стороны, чистое железо Fe, с другой — цементит Fe₃C.

Линия АСD — ликвидус, а линия AECF — солидус. Выше линии АС сплавы системы находятся в жидком состоянии (Ж). По линии АС из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы твердого раствора углерода в ?-железе, называемого аустенитом (А); следовательно, в области АСЕ будет находиться смесь двух фазжидкого раствора (Ж) и аустенита (А). По линии CD — из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита (Ц); в области диаграммы CFD находится смесь двух фаз — жидкого раствора (Ж) и цементита (Ц). В точке С при массовом содержании С 4,3% и температуре 1147? С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь эвтектика, называемая в этой системе ледебуритом (Л). Ледебурит присутствует во всех сплавах с массовым содержанием С от 2,14 до 6,67%. Эти сплавы относят к группе чугуна.

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%).

Линии GSE, PSK и GPQ показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структуры.

В области диаграммы AGSE находится аустенит (А). При охлаждении сплава аустенит распадается с выделением по линии GS феррита (Ф) — твердого раствора в ?-железе, а по линии SE — цементита. В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз — феррита (Ф) и распадающегося аустенита (А), а в области SEe₁ — смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита. В точке S при массовом содержании углерода 0,8% и при температуре 727? С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита — эвтектоид (т.е. подобный эвтектике), который в этой системе называется перлитом (П). Сталь, содержащая 0,8% С, называется эвтектоидной, менее 0,8% - доэвтектоидной, от 0,8 до 2,14% С — заэвтектоидной.

При охлаждении сплавов по линии PSK происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита; поэтому линия PSK называется линией перлитного (эвтектоидного) превращения.

диаграмма сплав микроструктура термический

1.2 Структурные составляющие и фазы во всех областях диаграмм и их определение с указанием твердости

Фазой называют однородную часть сплава, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние, отделенную от других частей сплава поверхностью раздела.

Фазы могут представлять собой как чистые элементы, так и химические соединения, твердые и жидкие растворы.

Цементит (карбид железа) — химическое соединение железа с углеродом Fe₃C, содержащее 6,67% углерода. Цементит магнитен, обладает высокой твердостью (твердость по Бринеллю = 8000 МПа) и хрупкостью. Из этого следует, что цементит в сплавах железа с углеродом повышает их твердость, но уменьшает вязкость и пластичность. В структурах сталей и чугунов цементит присутствует в виде игл, отдельных включений и сетки по границам зерен.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в ?-железо Fe_?©. Структура феррита представлена одной фазой — твердым раствором, состав которого изменяется с изменением температуры. Феррит обладает высокой пластичностью (до 50%), низкими твердостью (НВ=700−800 МПа) и прочностью (=250 МПа) и высокими магнитными свойствами.

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в ?-железо. Кубическая гранецентрированная решетка. Его структура представлена одной фазой — твердым раствором, который может иметь переменный состав в зависимости от температуры. Чем выше температура, тем больше углерода растворяется в кристаллической решетке железа. Аустенит не магнитен, обладает большой пластичностью при высокой температуре и малой склонностью к хрупкому разрушению.

В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы железа с углеродом могут иметь следующие структурные составляющие: феррит (Ф), цементит (Ц), аустенит (А), перлит (П) и ледебурит (Л). См. рис. 1.

Перлит — эвтэктоидная смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Эта структура образуется в результате распада аустенита с содержанием углерода =0,8% при t = 727? С.

В зависимости от формы частиц цементита перлит может быть пластичным или зернистым. Твердость пластичного перлита НВ составляет 2000;2500 МПа, а зернистость — 1600−2200 МПа.

Ледебурит — эвтектичная смесь, которая образуется из жидкой фазы (из расплава) с концентрацией углерода 4,3% при t = 1147? С. В диапазоне температур 1147 — 727? С ледебурит состоит из двух фаз — аустенита и цементита; при температуре ниже 727? С ледебурит также представляет механическую смесь, но состоящую уже из перлита и цементита. Содержание С постоянно = 4,3%. Твердость ледебурита НВ достигает 7000 МПа.

1.3 Кривая охлаждения в интервале температур от 1600 до 0? С и её описание (с применением правила фаз) для сплава с содержанием углерода 0,4%

На рис. 2 изображена диаграмма состояния системы железо-цементит для сплава с содержанием углерода 0,4%.

На рис. 3 изображена кривая охлаждения для этого же сплава (С=0,4%).

Точки 1,2,3,4 — это критические температуры для данной стали. Выше температуры 1520? С сталь находится в жидком состоянии. При температуре 1520? С начинается первичная кристаллизация с выделением из жидкости аустенита.

Процесс кристаллизации аустенита заканчивается при температуре 1460? С. Следовательно, в результате первичной кристаллизации получается аустенит.

При температуре 820? С аустенит начинает превращаться в феррит. Этот процесс заканчивается при температуре 727? С. При этой температуре (727 ?С) оставшийся аустенит превращается в перлит.

Рисунок 2

Рисунок 3

Этот процесс занимает более длительное время. В итоге вторичная кристаллизация данной стали заканчивается при температуре 727? С с образованием структуры: перлит + феррит. Для данной диаграммы применяем правило фаз. Правила фаз: устанавливает зависимость между числом степеней свободы системы, числом компонентов и числом фаз, находящихся в равновесии и выражающихся уравнением:

С=К+2-Ф,

где С — число степеней свободы системы;

К — число компонентов;

Ф — число фаз, находящихся в равновесии.

При применении правила фаз к металлам число внешних факторов (2) (температура и давление) в полном объеме не учитывается, т.к. давление, за исключением очень высокого, не влияет на число фаз, находящихся в равновесии. Тогда уравнение примет следующий вид: С=К+1-Ф.

Применяем правило фаз к кривой охлаждения стали марки 40ХФА. См. рис. 3. По формуле: С=К+1-Ф определяем число степеней свободы системы ©.

На участке 1−2 С=2+1−2=1:К=2т.к. сплав содержит два компонента железо и углерод; Ф =2 т.к.число фаз на данном промежутке диаграммы = 2-это жидкость и аустенит; С? 0, значит кристаллизация проходит в интервале температур от 1520? С до 1460? С.

На участке 2−3 С=2+1−1=2: К=2; Ф=1; т.к. число фаз на данном промежутке диаграммы =1 — это аустенит; С? 0, значит кристаллизация происходит в интервале температур от1460? С до 820? С .

На участке 3−4 С=2+1−2=1: К=2; Ф=2, т.к. число фаз на данном промежутке диаграммы = 2 — это аустенит и феррит. С? 0, значит кристаллизация проходит в интервале температур от 820? С до 727? С.

На участке 4а-4 С=2+1−3=0: К=2; Ф=3, т.к. число фаз на данном промежутке диаграммы = 3 — аустенит, перлит и феррит. С=0, значит кристаллизация идет при постоянной температуре = 727? С .

1.4 Содержание углерода в фазах и количественное соотношение этих фаз при температуре 1500? С для заданного сплава На рисунке 2 изображена диаграмма (Fe-Fe₃C) для сплава с содержанием углерода 0,4%. Точка (b) находится между линиями ликвидуса и солидуса при температуре 1500? С. Пользуясь рисунком 2, определяем содержание углерода в фазах. Точка (а) показывает содержание углерода в аустените, которое равно 0,3%, а содержание углерода в жидкости равно 0,7%. -(точка с). ак же по рис. 2 можно определить количественное соотношение фаз. Участок (ab) содержит 0,1% углерода, а участок (bc) — 0,3% углерода. Если взять весь участок (ac) за 100% (ас=0,4), то можно найти соотношение аустенита и жидкого раствора сплава.

Х₁= = 25% где, Х₁-колличество углерода в жидкости.

Х₂==75% где, Х₂— количество углерода в аустените.

Количество углерода в аустените (участок bc) будет равно 75%, на участке (ab) — 25%- это количество углерода в жидком сплаве.

1.5 Микроструктура заданного сплава при температуре 18? С и описание механических и технологических свойств На рис. 4 приведена микроструктура стали с массовым содержанием С 0,4% (?500). Данный сплав с содержанием С 0,4% относится к доэвтектоидным сплавам. Доэвтектоидная сталь состоит из легированного перлита и избыточного легированного феррита. Для этой стали характерны такие технологические и механические свойства: Свариваемость — трудносвариваемая.

Рисунок 4

Способы сварки РДСнеобходим подогрев и последовательная термическая обработка. КТС — необходима последовательная термическая обработка. Обрабатываемость резанием — после закалки и отпуска при Н. В? 241. Флакеночувствительностьчувствительна. Склонность к отпускной хрупкости — склонна. Данная сталь при температуре 18? С, обладает вязкостью = 92Дж / см.³, теплопроводность = 37Вт (м ?С), упругость = 215 ГПа. Такие свойства имеет сталь с содержанием углерода 0,4%.

2. Материал и вид термической обработки (химико-термической обработки) для детали винт

2.1 Расшифровка выбранной марки стали и указание, к какой группе она относится.

Деталь — винт с маркировкой стали 40 ХФА. Эта конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,4%, в ее состав входят легированные элементы: Х — хром, Ф — ванадий. Так как не указана цифра после этих элементов, то их содержание в сплаве может достигать — Х-(0,8−1,1%), Ф- (0,1−0,18%). Так же в состав этой стали могут входить и другие химические элементы: Si (0.17%-0.37%), Mn (0,5%-0,8%), Р (0,025%), S (0.025%), Cu (0,3%), Ni (0,3%). Кроме того, в конце маркировки стоит буква, А — это значит, что сталь является высококачественной. Значит деталь (винт) выполнена из конструкционной среднелегированной высококачественной стали.

2.2 Вид и режим термической обработки применяемой для детали с содержанием углерода 0,4%

Для детали винт марки 40 ХФА более эффективным видом термической обработки является закалка и высокий отпуск.

Закалка основана на перекристаллизации при нагреве и предотвращении перехода аустенита в перлит путем быстрого охлаждения.

Температура нагрева стали при закалке та же, что и при полном отжиге: для доэвтектоидной стали на 30−50 ?С выше точки на линии PSK. При нагреве доэвтектоидной стали до температуры между точками на линиях GOS и PSK (неполная закалка) в структуре быстро охлажденной стали, наряду с закалёнными участками, будет присутствовать нерастворённый при нагреве (в аустенит) феррит, резко снижающий твёрдость и прочность. Поэтому для даэвтектоидной стали обязательна полная закалка с нагревом выше точки на линии GOS. Закалку лучше выбрать простую — в одном охладителе. Чаще всего в качестве охладителя используют воду, но можно использовать и масло. Так как деталь небольших размеров, её после закалки погружают в охлаждающую жидкость и держат там до полного остывания.

Для смягчения действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже линии PSK. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит, в мартенсит отпуска, троостит отпуска, сорбит отпуска. Скорость охлаждения заготовок при закалке должна быть такой, чтобы получить заданную структуру. Критическая скорость закалки изменяется в широких пределах в зависимости от наличия легирующих компонентов в стали.

После простой закалки проводят обработку высоким отпуском. Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твёрдость, и хрупкость стали. Отпуск производится путём нагрева заготовок до температуры ниже критической; при этом в зависимости от температуры могут быть получены структуры мартенсита, троостита или сорбита отпуска. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств: повышенные прочность, вязкость и пластичность; поэтому закалку на мартенсит с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. Сталь марки 40ХФА, имеющая ГОСТ 82, будет иметь следующий диапазон температур: закалка (860- 880? С), отпуск (200- 230? С); ГОСТ 4543- 71 закалка (880 ?С), отпуск (650 ?С).

Так как деталь — винт не несет особо больших нагрузок и является легированной, что обеспечивает ей высокую коррозийную стойкость, то эта деталь не нуждается в химико-термической обработке.

2.3 Влияние легирующих элементов на всех этапах термической обработки Введение большинства легирующих элементов определяет повышение точек на линии PSK и GOS в сравнении с их положением для углеродистой стали, поэтому температура нагрева легированной стали для закалки выше. Легированные стали имеют меньшую теплопроводность и требуют замедленного нагрева и более продолжительной выдержки для аустенизации в сравнении с углеродистой сталью. Все легирующие элементы (за исключением кобальта) уменьшают критическую скорость закалки, т. е. увеличивают инкубационный период переохлажденного аустенита («сдвигают» вправо кривые на диаграммах изотермического превращения); это определяет увеличение прокаливаемости заготовок. Увеличение устойчивости переохлажденного аустенита обеспечивает возможность получения структуры мартенсита при закалке охлаждением в масле, на воздухе и в горячих средах.

Легирование стали никелем повышает ее прокаливаемость; этому же способствуют присадки марганца, молибдена, хрома, бора. Никель увеличивает также вязкость и пластичность стали, понижает температуру порога хладноломкости. Однако никель дорог, поэтому его вводят в сочетании с марганцем или хромом. Понижение порога хладноломкости достигается также присадкой хрома, молибдена, вольфрама, ванадия, титана, ниобия и циркония, которые образуют дисперсные труднорастворимые в аустените карбиды и препятствуют росту зерна аустенита. Рост зерна аустенита задерживается также присадкой алюминия, присутствующего в виде дисперсных оксидов. Молибден и вольфрам повышают также стойкость стали к отпуску. Кобальт (как и никель) полностью взаимно растворим с железом и способствует понижению количества остаточного аустенита в закаленной стали. Многие легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска, поэтому для достижения требуемой прочности легированные стали при отпуске нагревают до более высоких температур, чем углеродистые.

2.4 Основные свойства детали, приобретённые после термической обработки Большинство легированных сталей приобретают высокие физико-механические свойства лишь после термической обработки. Термической обработкой для детали марки 40 ХФА является закалка и высокий отпуск.

После данного улучшения она имеет высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, хорошую прокаливаемость, малую чувствительность к отпускной хрупкости.

После закалки данной стали, проводимой при температуре 880? С, повышается твердость и прочность. Если ГОСТ данной стали является 4543−71, то твердость после закалки и высокого отпуска? 730 МПа. В данном случае в качестве охладителя используется масло.

Так же при высоком отпуске деталь получает наилучшее сочетание механических свойств: повышение прочности, вязкости и пластичности. Если отпуск проводить при температуре 690? С, то данная деталь, имеющая ГОСТ 4543–71, после термической обработки получит следующие свойства: временное сопротивление 880МПа, относительное удлинение = 10%, относительное сужение поперечного сечения 50%.

Термическая обработка дает детали наилучшие физико-механические свойства, после чего она полностью готова к эксплуатации.

2.5 Микроструктура стали после термической обработки и определения отдельных структурных составляющих с указанием твердости Данная легированная сталь после улучшения будет иметь структуру сорбита. См. рис. 5.

Рисунок 5

На рисунке 5 показана структура сорбита в масштабе (?7500).

Сорбит — это ферритно-цементитная смесь, образовавшаяся при распаде аустенита в интервале температур от 700до 600? С.

В сорбите размеры частиц цементита меньше, чем в перлите, но больше, чем в троостите.

Твердость данной ферритно-цементитной смеси? 250−330 МПа.

Структура феррита в сорбите представлена одной фазой — твердым раствором, состав которого меняется с изменением температуры. Феррит обладает высокой пластичностью, но твердость у него все же низка. Повышенная твердость, которая присуща сорбиту, обеспечивается другой структурой — цементитом. Цементит в сплавах железа с углеродом повышает их твердость и уменьшает вязкость и пластичность.

Твердость цементита, по Бринелю, равна 8000 МПа, отсюда видно, почему сорбит обладает достаточно высокой твердостью.

Список использованных источников

1. Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы: учеб. для средних специальных учебных заведений / В. М. Никифоров. — Изд. 7-е, перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. — 363 с., ил.

2. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов: учеб. для учащихся металлургических и машиностроительных техникумов / Ю. М. Лахтин. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1979. — 320 с.

3 Кузьмин Б. А. Металлургия и конструкционные материалы: учеб. для мех. и машиностроит. техникумов. / Б. А. Кузьмин, А. И. Самохоцкий. — Изд. 3-е, перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1984. — 256с.: ил.

4 Казаков Н. Ф. Технология металлов и других конструкционных материалов: учеб. пособие для студентов не машиностроительных специальностей высших учеб. заведений / Н. Ф. Казаков, А. М. Осокин, А. П. Шишкова; под ред. Н. А. Казакова. — М.: Металлургия, 1975. — 426 с.

5 Сорокина В. Г. Марочник сталей и сплавов: учебное пособие для студентов машиностроительных специальностей / В. Г. Сорокина; под ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение.