Вариант 9
1. Вычертите диаграмму Fe-C, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,2% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Отметим указанный сплав, содержащий 3.2% С на диаграмме (рис. 1) и построим кривую охлаждения сплава.
Рис. 1. Диаграмма состояния системы железо-цементит (слева) и кривая охлаждения чугуна, содержащего 3,2% углерода (справа).
Восстанавливаем перпендикуляр из отметки 3,2% С на оси абсцисс до (×) 1.
В (×)1 сплав находится в жидком состоянии, т.е. существует только одна фаза – жидкий раствор углерода в железе. Следовательно, число степеней свободы, согласно правилу фаз Гиббса, будет равно: С = к + n – ф (где к – число компонентов, для системы железо-цементит, к = 2, двухкомпонентная система; n – число внешних переменных факторов, в данном случае при рассмотрении равновесия в металлических сплавах, находящихся под воздействием атмосферного давления, единственным внешним переменным фактором является температура, поэтому n = 1; ф – число фаз) С = 2 + 1 – ф = 3 – ф = 3 – 1 = 2. При двух степенях свободы равновесие в системе не нарушается даже при одновременном изменении температуры и концентрации сплава в определенных пределах. При понижении температуры в сплаве не будет происходить никаких превращений, и температура будет падать быстро, кривая охлаждения идет круто вниз до (×)1. На участке кривой указываем фазовое состояние сплава «L» и число степеней свободы, равное 2 (L, С = 2 + 1 – 1 = 2).
(·)2. Соответствует пересечению нашей вертикали с линией ВС диаграммы состояния, соответствующей началу кристаллизации аустенита. Следовательно, в сплаве появляется вторая фаза – аустенит, число степеней свободы уменьшается (С = 2 + 1 – 2 = 1), кривая охлаждения станет более пологой до температуры, соответствующей следующей критической точке 3. На участке 2 – 3 фазовой состояние отвечает «L + g», а число степеней свободы, равно С = 2 + 1 – 2 = 1. При изменении температуры в пределах точек 2 и 3 изменяется соотношение между жидкой и твердой фазами, но равновесие не нарушается.
(·)3. Соответствует эвтектическому превращению. При tэ (1147 °С), происходит эвтектическая кристаллизация, и образуется ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием углерода 2,14 %. Таким образом, LС ® Л (g + Fe3C), а число степеней свободы С = 2 + 1 – 3 = 0, и система нонварианта, три фазы могут находится в равновесии только при строго постоянной температуре. На кривой охлаждений это отражено отрезком 3 – 3’. На отрезке 3’ – 4 в равновесии находятся две фазы: цементит и ледебурит (эвтектическая смесь аустенита и цементита). На кривой охлаждения обозначаем: Fe3C + Л (g + Fe3C), С = 2 + 1 – 2 = 1.
(·)4. Т4 = 727оС, в равновесии находятся аустенит, цементит, а также перлит (механическая смесь феррита и цементита), который перекристаллизовывается из оставшегося аустенита, содержащего 0,8%С. Следовательно, g0,8 ® П (a + Fe3C), С = 2 + 1 – 3 = 0 и на кривой охлаждения будет горизонтальное плато 4-4’, соответствующее описанному эвтектоидному превращению; ниже (·)4’ происходит охлаждение сплава, в котором сосуществуют фазы: цементит + перлит + ледебурит (С = 2 + 1 – 2 = 1).
Сплав железа с углеродом, содержащий 3,2%С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре – перлит + цементит + ледебурит (П+Ц).
По правилу рычага (отрезков) рассчитать количество перлита, содержащегося в структуре стали 65.
Рис. 2. Диаграмма состояния системы железо-цементит.
Сталь 65, содержащей 0,65% С, с помощью правила отрезков можно определить количество фаз. Для этого необходимо провести линию (каноду), параллельную оси концентрации, до пересечения с основными линиями диаграммы, ограничивающими данные точки. Точки пересечения обозначим как d и f. Точки пересечения укажут концентрацию фаз: т. d соответствует 0.006% С, т. f – 0.8% С.
Обозначим общее количество фаз в точке e (0,65% С), как Q = 100%. Согласно правилу отрезков, для того, чтобы определить количество твердой фазы, необходимо взять отношение противолежащего отрезка каноды к длине всей каноды. Следовательно,
Ответ: QФ = 18,9%; QП = 81,1%; СФ = 0.006%С; СП = 0.8%С.
3. Углеродистая сталь У8 после закалки и отпуска имеет твердость 55…60 HRC. Используя диаграмму состояния Fe-C и учитывая превращения, происходящие в стали при отпуске, выберите температуру закалки и температуру отпуска. Опишите превращения, которые происходят при выбранных режимах термической обработки и окончательную структуру.
Содержание углерода в стали У8 составляет 0,75-0,84%, поэтому эта сталь может быть доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной концентрации. Следовательно, исходная структура может состоять из перлита и феррита, или перлита, или перлита и цементита.
До температуры Аc1 сохраняется исходная структура. При температуре Аc1 происходит превращение перлита в аустенит с содержанием углерода 0,8%. При нагреве выше точки Ас1 происходит растворение цементита в аустените (в соответствии с линией SE). Увеличение температуры выше точки Асm вызывает рост зерна аустенита. Критические точки для стали У8: Аc1 = 720°С; Аr1 = 700°С.
Закалка – термическая обработка, которая заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3 для доэвтектоидной и Ас1 – для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
Для закалки сталь У8 нагревают на 50-70°С выше точки Ас1. Таким образом, температура нагрева под закалку составляет 780-800°С. При этих температурах в стали наряду с аустенитом может присутствовать цементит (при заэвтектоидной концентрации). Охлаждающая среда при закалке – индустриальное масло. В результате закалки из аустенита образуется неустойчивая, метастабильная структура мартенсит. Структура после закалки – мартенсит (при доэвтектоидной и эвтектоидной концентрации) или мартенсит + цементит (при заэвтектоидной концентрации). Твердость стали У8 после закалки свыше 63 HRCэ.
Для снятия напряжений и стабилизации структуры после закалки изделия подвергают низкому отпуску и достижения твердости 55 – 60 HRC при 200 – 300оС. Низкий отпуск снижает закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. При отпуске уменьшается степень тетрагональности кристаллической решетки мартенсита вследствие выделения из нее углерода в виде ε-карбида. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости изделий. Структура стали У8 – отпущенный мартенсит (при доэвтектоидной и эвтектоидной концентрации) или отпущенный мартенсит + карбиды (при заэвектоидной концентрации).