Материал: Анализ диаграммы состояния системы железо-цементит

Анализ диаграммы состояния системы железо-цементит

Содержание

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

.1 Диаграмма и её описание

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

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

.4 Содержание углерода в фазах и количественное отношение этих фаз при температуре 1500 ºС для заданного сплава

.5 Микроструктура заданного сплава при температуре 18 ºС и описание механических и технологических свойств

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

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

.2 Вид и режим термической обработки

.3 Влияние легирующих элементов на всех этапах термической обработки

.4 Основные свойства детали, приобретённые после термической обработки

.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 Диаграмма и её описание

Рисунок 1

На рисунке 1 приведен упрощенный вид цементитной диаграммы.

По вертикальной шкале представлена температура от 600ºС до 1600ºС, 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 γ-железе, называемого аустенитом (А); следовательно, в области АСЕ будет находиться смесь двух фаз- жидкого 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 ºС 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 α-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 727ºС 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 α-железо Fe_α(C). 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 γ-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 = 727ºС.

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 = 1147ºС. В диапазоне температур 1147 - 727 ºС ледебурит состоит из двух фаз - аустенита и цементита; при температуре ниже 727 ºС ледебурит также представляет механическую смесь, но состоящую уже из перлита и цементита. Содержание С постоянно = 4,3%. Твердость ледебурита НВ достигает 7000 МПа.

.3 Кривая охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 ºС 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 ºС сталь находится в жидком состоянии. При температуре 1520 ºС начинается первичная кристаллизация с выделением из жидкости аустенита.

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

При температуре 820 ºС аустенит начинает превращаться в феррит. Этот процесс заканчивается при температуре 727 ºС. При этой температуре (727 ºС) 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 ºС 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 (С).

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 ºС до 1460 ºС.

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 ºС до 820 ºС .

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 ºС до 727 ºС.

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 ºС .

.4 Содержание углерода в фазах и количественное соотношение этих фаз при температуре 1500 ºС 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 ºС . 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.

.5 Микроструктура заданного сплава при температуре 18ºС 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 РДС- необходим подогрев и последовательная термическая обработка. КТС - необходима последовательная термическая обработка. Обрабатываемость резанием - после закалки и отпуска при Н.В≤ 241. Флакеночувствительность- чувствительна. Склонность к отпускной хрупкости - склонна. Данная сталь при температуре 18 ºС, обладает вязкостью = 92Дж / см.³, теплопроводность = 37Вт (м ºС), упругость = 215 ГПа. Такие свойства имеет сталь с содержанием углерода 0,4%.

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

.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.

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 ºС 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 ºС), отпуск(200- 230 ºС); ГОСТ 4543- 71 закалка(880 ºС), отпуск (650 ºС).

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.