Сталь 55 – конструкционная углеродистая качественная

СОДЕРЖАНИЕ

1. Задание 1 3
2. Задание 2 4
3. Задание 3 6
4. Задание 4 10
5. Задание 5 11
6. Задание 6 14
7. Задание 7 18
8. Задание 8 22
Список литературы 25




1. Задание 1
Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду, температуру отпуска) для рессор из стали 55, для получения заданного значения твердости HRC 45-50. Опишите микроструктуру и свойства материала до и после термической обработки.
Ответ:
Сталь 55 – конструкционная углеродистая качественная.
Применение: зубчатые колеса, прокатные валки, штоки, тяжелонагруженные валы, оси, бандажи, малонагруженные пружины и рессоры, лемехи, пальцы звеньев гусениц и муфты сцепления коробок передач, корпуса форсунок и другие детали, работающие на трение.
Химсостав, %: Углерод: 0,52-0,60, Кремний: 0,17-0,37, Марганец: 0,5-0,8, Никель: 0,3, Сера: 0,04, Фосфор: 0,035, Хром: до 0,25, Медь: 0,3, Мышьяк: до 0,08.
Температура критических точек Стали 55:
Ac1 = 725С, Ac3 = 755С, Ar3 = 750С, Ar1 = 690С, Mн = 320С
Механические свойства Стали 55 в нормализованном состоянии:
σв = 650 МПа, σт = 380 МПа, δ = 13%, ψ = 35%
Микроструктура сплава в нормализованном (отожженном) состоянии феррит + перлит.
Рессоры испытывают в работе многократные знакопеременные нагрузки и после снятия нагрузки должны полностью восстанавливать свои первоначальные размеры. В связи с такими условиями работы металл, применяемый для изготовления рессор, должен обладать, кроме необходимой прочности в условиях статического, динамического или циклического нагружений, достаточно хорошей пластичности, высокими пределами упругости и выносливости и высокой релаксационной стойкостью.
Высокие свойства (максимальные пределы упругости и выносливости) пружины и рессоры имеют при твердости HRC 40-50 (структура-троостит), которая достигается после закалки (с равномерным и полным мартенситным превращением по всему объему металла) и среднего отпуска при 400–500°С (в зависимости от стали).
Сталь доэвтектоидная, поэтому требуется проводить полную закалку от температуры Ас3 + 30-50С = 785-805С. Охлаждающая среда – вода (достижение критической скорости). В соответствие с ГОСТ 1050 – 88 назначаем температуру отпуска 400С на воздухе. Структура стали после отпуска – троостит или нижний бейнит со следующими механическими свойствами:
σ0,2 = 1100-1380 МПа, σв = 1260-1590 МПа, δ = 4-5%, ψ = 31-36%
КCU 19-49 Дж/м2, HRC 47

2. Задание 2
Для изготовления фрезы выбрана определенная марка стали Р9Ф5:
а) расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данная сталь по назначению;
б) назначьте режим термической обработки, приведите подробное его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали;
в) опишите микроструктуру и главные свойства стали после термической обработки
Ответ:
Р9Ф5 – углеродистая легированная инструментальная быстрорежущая доэвтектоидная вольфрамованадиевая сталь повышенной производительности. Быстрорежущая сталь маркируется буквой Р, а следующая за ней цифра указывает среднюю массовую долю главного легирующего элемента быстрорежущей стали – вольфрама 9%. Среднее содержание других легирующих элементов обозначается цифрой после соответствующей буквы: (Ф) ванадий – 5%.
Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается. Кроме того, не указывается содержание молибдена до 1 %.
Химический состав стали Р9Ф5 в % (ГОСТ 19265-73):
C Si Mn Ni S P Cr Mo W V
1,4-1,5 до 0,5 до 0,4 до 0,4 до 0,03 до 0,03 3,8-4,4 до 1 9-10,5 4,3-5,1
Температура критических точек: AС1 = 820С, AС3 = 850С.
После обработки она должна сочетать в себе высокую теплоустойчивость (600-650С) с высокими твердостью, износостойкостью при повышенных температурах и повышенным сопротивлением пластической деформации.
Для получения максимальной твердости (HRC 65-67) требуется провести полную закалку 1240–1260С (масло, соли) и 3-х кратный низкий отпуск 575–585С (температуры выбраны с учетом легирования). Из-за низкой теплопроводности нагрев под закалку ведут медленно с прогревом при 450С и 850С, применяя соляные ванны для уменьшения окисления и обезуглероживания. Высокая температура нагрева необходима для обеспечения теплостойкости – получения после закалки высоколегированного мартенсита в результате перехода в раствор максимального количества специальных карбидов. Трехкратный отпуск – для устранения остаточного аустенита, присутствие которого вызвано снижением температуры точки МК ниже 0С. После термообработки сталь имеет структуру мартенсита отпуска, низкий отпуск проводят лишь с целью снятия напряжений.
Карбидообразующие элементы к которым относятся молибден, вольфрам и хром изменяют вид С-диаграммы и кинетику превращения. Они разделяют перлитное и бейнитное превращение с появлением области устойчивого аустенита между ними, а также смещают кривые вправо, что позволяет получить большую прокаливаемость увеличивая время закалки.
Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Ванадий, вольфрам и хром поднимают температуры критических точек Ас1 и Ас3, снижают Мк, что учтено при назначении режимов термообработки.

3. Задание 3
Как проводят цементацию в твердом карбюризаторе?
ОТВЕТ:
Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя углеродом при нагреве в углеродсодержащей среде.
Цементации подвергаются низкоуглеродистые и низколегированные конструкционные стали с содержанием углерода от 0,12 до 0,25 %. Проводят ее с целью повышения твердости, износостойкости, предела выносливости поверхностных слоев детали при сохранении вязкой сердцевины. Для углеродистых сталей это достигается обогащением поверхности детали углеродом до 0,8…1,0 % с последующей закалкой и низкотемпературным отпуском. В случае местной цементации (отдельных участков детали) остальную часть, не подвергающуюся цементации, защищают слоем меди толщиной 0,02…0,05 мм, наносимой электролитическим способом, или покрывают огнеупорными обмазками.
Различают два вида цементации: в твердом карбюризаторе и в газовой среде.
Цементация в твердом карбюризаторе (науглероживающей среде) осуществляется при температуре 920…950°С в закрытых емкостях (металлических ящиках). Длительность выдержки при этой температуре назначают 7…9 мин на 1 см высоты ящика. В качестве твердых карбюризаторов используют древесные угли (дуб, береза), каменноугольный полукокс или торфяной кокс в смеси с углекислыми солями (BaCO3, Na2CO3 и др.). Соли берут 10…40 % массовых от общей загрузки.
Равномерно перемешанную смесь засыпают в ящик слоем толщиной 3…4 см, далее укладывается слой деталей с промежутком между ними и стенками ящика 3…4 см, засыпается слой карбюризатора аналогичной толщиной, укладывается следующий слой деталей и т. д. Поверхность последнего слоя деталей также засыпается карбюризатором, ящик герметично закрывается и загружается в печь. Выделение активного атомарного углерода происходит вследствие следующих химических реакций, протекающих при температурах 920…950°С. Кислород, имеющийся в ящике, взаимодействует с древесным углем и коксом, образуя угарный газ, который диссоциирует с выделением атомарного углерода:

Углекислые соли, также взаимодействуя с углем, образуют СО и после его диссоциации атомарный углерод:

Обычно цементацию проводят на глубину 0,5…1,6 мм в зависимости от конкретных деталей и условий их работы. Длительность процесса цементации составляет 6…14 ч. После насыщения углеродом ящик с деталями извлекается из печи и охлаждается на воздухе в закрытом виде до 400…500 °С.
Содержание углерода после насыщения переменно по глубине детали, убывая по мере удаления от поверхности.
В структуре цементованного слоя можно выделить три зоны: зона заэвтектоидной стали (I), содержащая 1…0,8 % С, эвтектоидной (II), содержащая 0,7…0,8 % С, и доэвтектоидной – переходной (III), содержащая менее 0,7 % С и простирающаяся до исходной структуры стали.
За эффективную толщину цементованного слоя δэф принимается слой, включающий заэвтектоидную (δзэ), эвтектоидную (δэ) и половину переходной (δпер) зоны:

Для деталей, испытывающих контактную усталость (зубчатые колеса, шестерни, кулачки и др.), желательно проводить насыщение поверхности углеродом до 1,1…1,2 %, т. к. при этом достигается максимальное сопротивление контактной усталости стали.
Легирующие элементы Cr, Mn, W, Mo, V позволяют насыщать поверхность до 1,8…2,0 % С. Так Cr, W, снижая коэффициент диффузии, позволяют увеличить степень насыщения углеродом поверхности и увеличить эффективную толщину слоя. Никель, наоборот, увеличивает коэффициент диффузии, но уменьшает толщину эффективного слоя и степень насыщения углеродом. Марганец почти не влияет на коэффициент диффузии, но позволяет увеличить глубину эффективного слоя и степень насыщения поверхности углеродом.
Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки – закалки и низкотемпературного отпуска (рис. 1). Путем термообработки можно не только увеличить твердость, но и измельчить зерно, неизбежно увеличивающееся вследствие длительной выдержки при высокой температуре, устранить карбидную сетку в цементованном слое.

Рис. 1. Режимы термической обработки после цементации стали

Двойной закалке с низким отпуском после цементации подвергают особо ответственные детали (рис. 6, в). При первой закалке с температуры на 30-50°С выше Ас3 (880-9000С) происходит перекристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечивающего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно при этом цементитная сетка в поверхностном слое растворяется.
При нагреве под вторую закалку на 30–50 °С выше температуры Ас1 (760…780 °С) происходит отпуск образовавшегося ранее мартенсита с образованием глобулярных карбидов и мелкого аустенитного зерна. После второй закалки и низкотемпературного отпуска поверхностный слой детали имеет структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины детали зависит от химического состава и ее геометрических размеров и может быть от феррито-перлитной для углеродистых сталей до сорбитной, трооститной и даже мартенситной, но с невысоким содержанием углерода, обладающим высокой ударной вязкостью, для легированных сталей.
Заключительной операцией при любом техпроцессе (рис. 5) является низкотемпературный отпуск, после которого твердость поверхности составляет 58…62 HRC. Цель низкотемпературного отпуска – снижение внутренних напряжений.

4. Задание 4
Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данный сплав Б83 по назначению и где используется; зарисуйте и опишите микроструктуру сплава; укажите основные требования, предъявляемые к данному сплаву при его использовании в машиностроении/
Ответ:
Сплав Б83 – относится к баббитам. Баббитами называют антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. Баббиты обладают низкой твердостью (HB 130 – 320МПа), имеют невысокую температуру плавления (240 – 320 °С), повышенную размягчаемость (НВ 90 – 240 МПа при 100 °С), отлично прирабатываются и обладают высокими антифрик-ционными свойствами. В то же время они обладают низким сопротивлением усталости, что влияет на работоспособность подшипников.
Баббит Б83 – сплав на основе олова, содержащий 83% Sn , 11% Sb и 6%Сu. Если бы сплав не содержал меди, то согласно диаграмме состояния Sn – Sb его структура должна бы состоять из двух составляющих: светлых граненых первичных кристаллов β-фазы (твердые включения) и темных α-кристаллов раствора на базе олова (мягкая составляющая). Границы зерен в α-фазе обычно не вытравливаются, поэтому под микроскопом она выглядит как сплошной черный фон. Промежуточную фазy можно рассматривать как твердый раствор на основе соединения SnSb.
Медь, введенная в сплав Б83 для предотвращения ликвации по плотности, образует с оловом интерметаллид Cu3Sn (твердая составляющая), звездчатые кристаллы которого, выделяясь в первую очередь из расплава, образуют как бы каркас, препятствующий всплытию более легких β-кристаллов. Таким образом, структура баббита Б83 состоит из трех фаз – α , β (SnSb) и γ (Cu3Sn.) (рис.2).

Рис. 2. Микроструктура баббита Б83
(Справа - схематическое изображение микроструктуры)

Оловянные баббиты являются лучшими подшипниковыми сплавами и применяются для заливки наиболее ответственных подшипников паровых турбин, компрессоров, дизелей и других высоконагруженных установок, работающих со смазкой при высоких скоростях скольжения.
Баббиты как антифрикционные сплавы должны иметь высокую износостойкость и малый коэффициент трения между валом и подшипником; достаточную пластичность для лучшей прирабатываемости к поверхности вала; твердость, достаточную для вкладыша как опоры вала, но не вызывающую сильного износа самого вала; обладать микрокапиллярностью, т.е. способностью удерживать смазочные материалы.
Механические свойства Б83:
σв = 110-120 МПа, σт = 80-85 МПа, твердость НВ 27-30

5. Задание 5
Опишите способы получения, свойства и применение текстолита.
Ответ:
Текстолит – слоистая пластмасса, где в качестве наполнителя используется хлопчатобумажная ткань, в качестве связующего – фенолоформальдегидная смола.
Процесс изготовления текстолита состоит из стадий приготовления смолы и лака, подготовки, пропитки и сушки ткани, сборки и прессования пакетов, обрезки кромок и дополнительной тепловой обработки. Для пропитки ткани применяют спиртовые растворы твердых фенолоформальдегидных (иногда крезолоформальдегидных) смол, содержащих до 14% фенола или трикрезола. Спиртовой раствор твердых смол содержит 50-60% сухого остатка. Концентрация лака устанавливается в зависимости от типа ткани и назначения текстолита.
Стадия подготовки ткани заключается в сшивке отдельных кусков и наматывании рулонов весом до 60 кг на каждую оправку. Пропитка тканей осуществляется на горизонтальных, или на вертикальных пропиточно-сушильных машинах.
Пропитка происходит следующим образом: ткань погружается в ванну с лаком, по выходе из нее ткань отжимается валиками и поступает на сушку в шахту, расположенную над ванной. Для того чтобы понизить вязкость лака его подогревают до 30-40˚С горячей водой через рубашку с ванны. Концентрация лака и его количество поддерживаются постоянными. На выходе из ванны ткань отжимается специальными валиками. В процессе отжима смола лучше распределяется по ткани, глубже ее пропитывает, а избыток смолы удаляется.
Процесс сушки заключается в удалении летучих (влаги, спирта, свободного фенола) из сырой пропитанной ткани и происходит при температуре около 120˚С. Ткань нагревается паровыми калориферами, находящимися в шахте и горячим воздухом нагнетаемым в шахту. Время сушки определяется толщиной ткани и ее структурой.
После сушки пропитанную ткань разрезают и так же как и собирают в пакеты, которые загружают в пресс.
Прессование проводят в многоэтажных прессах с нижним давлением. Процесс прессования складывается из стадии прогрева пакетов до необходимой температуры, стадии выдержки для осуществления процесса отверждения и стадии охлаждения без снятия давления, которая необходима для предотвращения коробления листов.
Далее, для обеспечения привлекательного внешнего вида, края отпрессованных листов обрезаются дисковыми пилами и отправляются в отдел технического контроля для испытаний показателей качества, после чего перемещаются на склад готовой продукции.
Иногда с целью улучшения свойств листы после прессования подвергают дополнительной тепловой обработке. Такая обработка приводит к углублению процесса поликонденсации смолы и исчезновению внутренних напряжений в материале.
Текстолит обладает относительно высокой механической прочностью, малой плотностью и высокими антифрикционными свойствами, стойкостью к вибрационным нагрузкам и хорошими диэлектрическими свойствами. Теплостойкость текстолита 120…125°С. Он имеет высокую стойкость к воде и нефтепродуктам, хорошие диэлектрические свойства, легко обрабатывается резанием и склеивается.
Текстолит нашел широкое применение как заменитель цветных металлов для вкладышей подшипников прокатных станов, как конструкционный и поделочный материал в машиностроении для изготовления направляющих роликов в самолетах, шестерен в автомобилях и др. Текстолитовые шестерни в отличие от металлических работают бесшумно.
Электротехнический текстолит применяют для изготовления электроизоляционных изделий повышенной прочности для работы на воздухе и в трансформаторном масле.

6. Задание 6
Вычертите диаграмму состояния системы медь-цинк. Опи¬шите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы со¬стояния и объясните характер изменения свойств сплавов.
Ответ:
В сплавах меди наибольший практический интерес из элемен¬тов II группы периодической системы Д.И. Менделеева представ¬ляет цинк. Диаграмма состояния медь – цинк изучена многими исследователями во всем интервале концентраций. На рис. 3 приведена диаграмма состояния, построенная по совокупности работ, в которых использовались методы термического, рент¬геновского, металлографического, электронно-микроскопическо¬го анализов, определения температуры ликвидуса.

Рис. 3. Диаграмма состояния Медь-Цинк

Линия ликвидус системы медь – цинк состоит из шести ветвей первичной кристаллизации фаз α, β, γ, δ, ε и η. В системе пять перитектических превращений, % (ат.):
1) Ж (36,8 Zn) + α (31,9 Zn) ↔ β (36,1 Zn) при 902 °С;
2) Ж (59,1 Zn) + β (56,5 Zn) ↔ γ (59,1 Zn) при 834 С;
3) Ж (79,55 Zn) + γ (69,2 Zn) ↔ δ (72,4 Zn) при 700 °С;
4) Ж (88 Zn) + δ (76 Zn) ↔ ε (78 Zn) при 597 °С;
5) Ж (98,37 Zn) + ε (87,5 Zn) ↔ η (97,3 Zn) при 423 °С.
Растворимость цинка в твердом растворе на основе меди сначала увеличивается от 31,9% (ат.) при 902 °С до 38,3% (ат.) при 454 °С, затем понижается и составляет 34,5% (ат.) при 150 °С и 29% (ат.) при 0 °С.
В области существования α-фазы определены две модифика¬ции α1 и α2. Область существования фазы β находится в пределах от 36,1% (ат.) Zn при 902 ºС до 56,5% (ат.) Zn при 834 ºС и от 44,8% (ат.) Zn при 454 ºС до 48,2% (ат.) Zn при 468 °С. В ин¬тервале температур 454...468 ºС происходит превращение β ↔ β, или упорядочение.
Фаза β распадается по эвтектоидной реакции β ↔ α + γ при температуре ~ 255 °С. γ-фаза существует в четырех модификаци¬ях: γ – фаза до температур 250...280 С, выше 280 °С устойчива γ–фаза, которая при 550...650 °С переходит в γ-фазу; выше 700 °С существует фаза γ. Фаза δ существует в интервале 700...558 °С, распадаясь эвтектоидно по реакции δ ↔ γ + ε при 558 ºС.
При содержании 78% (ат.) Zn при 597 ºС и 87.5% (ат.) Zn при 423 ºС существует ε-фаза.
Растворимость меди в η-твердом растворе на основе цинка уменьшается от 2,8% (ат.) при 424 °С до 0,31% (ат.) при 100 °С.
Периоды решетки α-твердого раствора на основе меди увеличи-ваются с ростом концентрации цинка.
Фаза β имеет объемно центрированную кубическую решетку типа W, β-фаза – упорядоченную объемно центрированную решетку типа CsCl. Период решетки β-фазы увеличивается от 0,2956 до 0,2958 нм в интервале концентрации 48,23...49,3% (ат.) Zn.
Фаза γ имеет структуру типа γ-латуни. Ее состав соответствует стехиометрическому составу Cu5Zn8. γ-фаза имеет ромбическую решетку с периодами а = 0,512 нм, b = 0,3658 нм и с = 0,529 нм.
Фаза γ" имеет кубическую решетку с периодом а = 0,889 нм. Структура и параметры решетки фаз γ и γ не определены. Фаза δ имеет ОЦК решетку с периодом а = 0,300 нм при 600 °С для сплава с 74,5% (ат.) Zn. ε-фаза имеет гексагональную решетку типа Mg.
Практическое применение нашли латуни с содержа¬нием цинка до 45 %, его дальнейшее увеличение приводит к рез¬кому падению прочности. Максимальной пластичностью обладает латунь с 30...32% цинка (рис. 4).

Рис. 4. Влияние цинка на предел прочности σв и пластичность латуней δ

В зависимости от содержания цинка латуни делятся на однофазные ос-латуни, с содержанием до 39 % цинка, и двухфазные (α + β) – латуни, в которых цинка больше 39%. Однофазные латуни имеют более высокую пластичность, чем двухфазные, но меньшую прочность.
Однофазные латуни хорошо обрабатываются давлением в хо¬лодном состоянии. С повышением температуры до 300...700°С их пластичность ухудшается.
Упрочнение α-латуней возможно только в результате наклепа, при этом твердость и прочность повышаются, а пластичность уменьшается. Например, предел прочности латуни, содержащей 20 % цинка, возрастает с 320 до 640 МПа, а относительное удлине¬ние уменьшается с 55 до 3 %. Для снятия наклепа латуни подвер¬гают рекристаллизационному отжигу при температурах 500...700 °С. Двухфазные латуни хорошо деформируются при температурах выше 500°С, т.е. при горячей обработке.
Сплавы на основе системы медь – цинк (латуни) широко применяются в различных отраслях промышленности: они харак-теризуются высокой технологичностью, коррозионной стойко¬стью. Изготовление различных деталей и отливок из сплавов этой системы не представляет особой сложности. Сплавы марок Л96. Л90, Л85, Л80, Л75, Л70, Л68, Л66, Л63, Л59 – простые латуни – обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии и имеют однофазную структуру, представляющую собой твердый раствор на основе меди (α) для сплавов с содержанием меди не менее 61 % (по массе) и двухфазную (α + β) для сплава Л59.

7. Задание 7
Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в указанном интервале температур 0-1600С для сплава, содержащего 2,8%С. На кривой нагревания укажите количество степеней свободы на каждом участке кривой, подсчитав их в соответствии с правилом фаз. Для заданного сплава определите количественное соотношение фаз в соответствии с правилом отрезка при температуре 780С.
Ответ:
Диаграмма состояния Fe–Fe3C (рис. 5) характеризует фазовый состав и структуру в системе с концентрацией от чистого железа до цементита, содержащего 6,67%С. По оси абсцисс диаграмма имеет две шкалы, показывающих содержание углерода в сплаве и количество цементита. Координаты характерных точек приведены в табл. 1.

Рис. 5. Диаграмма состояния Fe–Fe3C

Табл. 1. Характерные точки диаграммы состояния железо–цементит


Точки А и D характеризуют температуру плавления железа и цементита соответственно. Точки N и G – температуры полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют максимальную растворимость углерода в ОЦК решетке железа в высокотемпературной и низкотемпературной областях. Точка Е определяет максимальную растворимость углерода в железе с ГЦК решеткой. Фазовые превращения в системе Fe–Fe3C происходят как при затвердевании из жидкого агрегатного состояния, так и в твердом агрегатном состоянии. Первичная кристаллизация идет в областях между линиями ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация в твердом агрегатном состоянии является следствием полиморфного превращения железа и изменения растворимости углерода в железе с изменением температуры.
На линии ликвидус начинается кристаллизация из расплава соответственно на участке АВ – феррита (δФ) , на участке ВС – аустенита (А) и на участке СD – цементита первичного (ЦI). На линиях АН и JЕ завершается кристаллизация δФ и аустенита из жидкой фазы. Для диаграммы Fe–Fe3C характерны три изотермических превращения:
– перитектическое на линии HJВ при температуре 1499 °С
ФН + ЖB АJ;
– эвтектическое на линии ECF при температуре 1147 °С
ЖC АE + ЦF;
– эвтектоидное на линии PSK при температуре 727 °С
АS ФP + ЦK.
Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита вторичного – перлитом (П). Ледебурит и перлит рассматривают как самостоятельные структурные составляющие. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и обладает высокими механическими свойствами: в = 800…900 МПа, 0,2 = 450 МПа, δ  16%, твердость 180…220 НВ.
Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. Сотовая структура образуется при медленном охлаждении и представляет собой пластины цементита, переплетенные кристаллами аустенита. Большое количество цементита, присутствующего в ледебурите, обеспечивает его большую твердость, порядка 600 НВ, и хрупкость, что затрудняет механическую обработку сплавов с ледебуритной структурой.
Стали в зависимости от содержания углерода подразделяются на эвтектоидные, содержащие ~ 0,8 % С, доэвтектоидные (от 0,02 до 0,8 % С) и заэвтектоидные (более 0,8 и до 2,14 % С).
Сплав, содержащий 2,8%С называется доэвтектическим чугуном, вычертим кривую нагрева с учетом правила фаз:

Рис. 6. Кривая нагревания сплава 2,8%С

Термическая обработка является мощным средством повышения свойств чугуна благодаря изменению его матрицы, степени графитизации, гомогениза¬ции, понижению напряжений и стабилизации размеров. При этом во всех случаях форма графита в чугуне не изменяется. Применяемые виды термической обработки могут быть классифицированы: на отжиг (высокотемпературный и низкотемпературный); нормализацию; за¬калку (объемную и поверхностную) и отпуск. Все они сопровождаются струк-турными изменениями в чугуне, которые протекают при нагреве и охлаждении. В ряде случаев чугун подвергают химико-термической обработке, которая благодаря изменению состава поверхностного слоя позволяет повысить его из¬носостойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность, окалиностойкость и другие свойства.
Наш слав, содержащий 2,8%С называется доэвтектическим чугуном (2,14 – 4,3%С) имеет следующую структуру: перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит. При нагреве до т.1 (727 °С) превращений нет, и чугун имеет структуру: ледебурит + перлит + вторичный цементит. При этом эвтектика состоит из цементита и перлита. При т.1 происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение претерпевает как свободный перлит, так и перлит, входящий в эвтектику. Выше т.1 чугун состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебурита. При этом эвтектика состоит из цементита и аустенита.
От т.1 до т.2 (1147 °С) происходит растворение вторичного цементита в аустените и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %.
При т.2 плавится ледебурит. Выше т.2 чугун состоит из аустенита и жидкого сплава. От т.2 до т.3 (~1350 °С) плавится аустенит. Выше т.3 чугун находится полностью в жидком состоянии.
Определим содержание углерода в фазах при 780ºС по коноде абв:
А – а ¬¬– 0,9 %С
Ц – в – 6,67%С
Определим количество каждой фазы:
QA = бв/ав ∙ 100% = 3,87/5,77 ∙ 100% = 67%
QЦ = аб/ав ∙ 100% = 1,9/5,77 ∙ 100% = 33%
Соотношение: QЦ : QА ≈ 1 : 2.

8. Задание 8
Режущий инструмент из стали У10 был перегрет при закалке. Чем вреден перегрев и как можно исправить этот дефект?
Ответ:
У10 – инструментальная углеродистая сталь, содержащая 1% углерода (заэвтектоидная). Температура критических точек Ас1 = 730 ºС, Асm = 800 ºС.
Назначение: инструмент, работающий в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: метчики ручные, рашпили, надфили, пилы для обработки древесины, матрицы для холодной штамповки, гладкие калибры, топоры.
Закалкой называют термообработку, включающую в себя нагрев сталей до температур выше критических и быстрое, резкое охлаждение, с целью получения высокой прочности и твердости. Различают закалки объемную и поверхностную. При объемной закалке нагревают и охлаждают весь объем детали, при поверхностной – только поверхность.
В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке сталь нагревают выше точки Ас3. Полная закалка применяется для доэвтектоидной стали. Для заэвтектоидной стали применяют только неполную закалку. В этом случае вторичный цементит, который сохраняется в стали, дополнительно повышает твердость закаленных сталей.
Если же применить полную закалку, то вторичный цементит растворяется в аустените. Это сопровождается резким увеличением зерна. После охлаждения в такой стали будет большое количество остаточного аустенита. Это дополнительно уменьшит твердость стали, поэтому для заэвтектоидной стали полная закалка никогда не применяется. Выдержка при закалке стали должна быть такой, чтобы успели пройти все структурные и фазовые превращения. Однако она не должна быть чрезмерной, чтобы не вызвать роста аустенитного зерна.
Перегрев при закалке – обратимый дефект т/о, связан с существенным превышением температуры фазовых превращений на 100-150ºС. Может явиться причиной повышенной твердости и способствовать хрупкому разрушению детали при сборке и эксплуатации. При перегреве происходит рост зерна аустенита и после закалки образуется крупнозернистый мартенсит, что приводит к повышенной хрупкости стали. Брак исправим последующим отжигом для измельчения зерна и повторной закалкой при оптимальной температуре и выдержке.
Поэтому основными операциями по исправлению структуры и получению оптимальных свойств режущего инструмента: полный отжиг от температуры Ас3 + (20-30ºС) = 830ºС, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением до 400–500°С со скоростью 200°С в час вместе с печью. Структура после отжига перлитно-цементитная.
Неполная закалка от температуры 770ºС в воде на мартенситную структуру и низкий отпуск 200-250ºС на структуру мартенсит отпуска с твердостью 58–63 HRC, а следовательно, высокую износостойкостью.





СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Волгин Н.А., Рыбаковский Л.Л. Материаловедение: учебник для ВУЗов. 1998 – 135 с.
2. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров. - М.: Химия, 1971. – 344 с.
3. Курчаткин В.В., ТельновН.Ф., Ачкасов К.А. и др.; под ред. Курчат-кина В.В.. Надежность и ремонт машин. - М.: Колос, 2000. – 776 с.
4. Ржевская СВ. Материаловедение: учебник 3-е издание. 2003 – 190 с.
5. Сидорин И.И. Косолапов Г.Ф. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. 2006 – 215 с.
6. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. 2006 – 263 с.
7. Стрепихеев А.А., Деревицкая В.А., Слонимский Г.Л. Основы химии высокомолекулярных соединений. – М.: Химия, 1976. – 514 с.
8. Шур А.М. Высокомолекулярные соединения. - М.: Высшая школа, 1981. – 656 с.