Твёрдость в большинстве случаев испытывается при статическом характере вдавливания индентора в виде шарика, конуса или пирамиды в тело исследуемого объекта или царапанием поверхностного слоя пирамидой из твёрдого материала (склерометрический метод).
Для определения твёрдости тонких слоёв или мелких образцов используют прибор “Супер-Роквелл”, отличающийся от обычного прибора “ТК” меньшими нагрузками.
3. Объясните, когда процесс кристаллизации протекает быстрее - при небольшой, большой и очень большой степени переохлаждения? (ответ обосновать).
Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией.
Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп (температура плавления).
На рис.1. изображены термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации металлов при охлаждении с разной скоростью. При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика (рис.1 кривая ?Т). В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения (кривые ?Т1, ?Т2) число зародышей возрастает в большей мере, чем скорость их роста, и размер зерна в металле уменьшается.
Зерно металла сильно влияет на механические свойства: чем мельче зерно, тем выше вязкость и пластичность.
При увеличении степени переохлаждения скорость образования кристаллов и скорость их роста возрастают, при определенной степени переохлаждения достигают максимума, после чего снижаются.
Скорость роста
Самостоятельная работа 2
Рис..1. Диаграмма состояния железо - цементит
К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %.
Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.
Железо является полиморфным металлом. При температурах ниже 910° С, железо существует в ? -модификации. Эта аллотропическая модификация железа называется ? -железом. В интервале температур от 910° С до 1392° С существует ? -железо с гранецентрированной кубической решеткой.
Углерод является неметаллическим элементом. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. В углеродистых сталях различают следующие фазы (рис.1): жидкий сплав (Ж), твердые растворы -феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц),
Феррит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе. Содержит при нормальной температуре 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость (HB = 790 МПа) и прочность (?6 = 245МПа), высокие пластичность (? = 50%, ? = 85%) и ударная вязкость (KCU = 2940кДж/м2).
Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.
Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fc3C. Содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость (НV = 9800 МПа) и очень низкая пластичность.
Перлит - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита (Ф+Ц). Существует ниже 727° С и содержит 0,8% С.
2. Определить вид углеродистой стали и белого чугуна по заданному содержанию углерода, отметить эти точки на своей диаграмме.
Сплав содержащий до 2,14 % С - сталь. По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные (0,02 % < C < 0,8 %) структура феррит + перлит (Ф+П); эвтектоидные (С = 0,8 % С), структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый.; заэвтектоидные (0,8 % < C < 2,14 %), структура перлит + цементит вторичный (П + ЦII), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита.
Сталь углеродистая с содержанием углерода 0,55. % С - это сталь доэвтектоидная (содержание углерода меньше 0,8%).
Сплав содержащий от 2,14 % С до 6,67 % С - чугун.
Чугун, содержащий от 2,14 % С до 4,3 % С называется доэвтектическим.
Чугун с содержанием 4,3 % С называется эвтектическим или ледебуритным.
Чугун, содержащий более 4,3 % С называется заэвтектическим.
Белый чугун с содержанием углерода 5.0 % С - это чугун заэвтектический (содержание углерода в пределах 4,3-6,67%).
3. Построить кривые охлаждения стали и чугуна с указанием положения критических точек.
а б
Рис.2 Кривые охлаждения стали (а) и чугуна (б)
4. Зарисовать схематично процесс охлаждения.
а - доэвтектоидная сталь ; б - заэвтектический белый чугун .
5. Описать словесно процесс охлаждения углеродистой сталь с содержанием 0,55 % С (из жидкого состояния до комнатной температуры) с описанием всех структурных и фазовых превращений.
Углеродистая сталь с содержанием 0,55 % С, доэвтектоидная, кристаллизуется в интервале температур, ограниченными линиями ВС и IE от 1510°С до 1440°С (рис.2,а).
Первичная кристаллизация: Ниже линии ВС сталь состоит из жидкой фазы и аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус ВС, а аустенита - по линии солидус IE.
При температуре около1440° C состав жидкой фазы определяется точкой 2, аустенита - точкой 1.
Ниже температуры по линии солидус IE -1440°С, до температуры по линии GOS - 790°С), происходит затвердевание и сталь получает однофазную структуру - аустенит.
Первичные кристаллы аустенита имеют вид дендритов, величина и строение, которых определяется перегревом металла выше линии ликвидус, его составом и условиями охлаждения в процессе кристаллизации.
При понижении температуры состав аустенита меняется по линии GOS, а феррита - по GP.
Вторичная кристаллизация:
Начало вторичной кристаллизации на линии GОS (790°С) и образование ферритно-аустенитной структуры.
Конец вторичной кристаллизации - на линии PSK (735°С), аустенит превращается в эвтектоидную смесь - перлит.
Таким образом, структура доэвтектоидной углеродистая стали с содержанием 0,55 % С после окончания всех превращений состоит из феррита и перлита.
Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.
Обозначаются буквой А (от французского arret - остановка):
А1 - линия PSK (727°С) - превращение П А;
A2 - линия MO (768°С, т. Кюри) - магнитные превращения;
A3 - линия GOS(переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение Ф А;
A4 - линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение ;
Acm - линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).
Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е , при охлаждении - букву r, т.е. .
Белый чугун с содержанием 5,0 % С, заэвтектический, кристаллизуется в интервале температур, ограниченными линиями CD и СF (рис.2, б).
Первичная кристаллизация проходит по линии ликвидус CD - 1230°С - жидкая фаза, заканчивается по линии СF - 1147°С - образование кристаллов цементита первичного.
Конец первичной кристаллизации при полном медленном охлаждении образуют структуру цементита первичного и ледебурита (аустенит +цементит). Вторичная кристаллизация - при температуре ниже 727° С, меняется состав ледебурита (перлит + цементит).
После окончания всех превращений структура белого чугуна с содержанием 5,0 % С, состоит из ледебурита + цементита первичного.
5. Заполнить таблицы 4, 5:
Таблица 4 - Линии диаграммы Fe - Fe3С
Обозначение |
Описание |
|
Линия АBCD |
Линия ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD - кристаллизация цементита первичного. |
|
Линия AHJECF |
Линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (). На линии HJB при постоянной температуре 1499°С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (), в результате чего образуется аустенит. На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного |
|
Линия ECF |
При 1147°С протекает эвтектическая реакция Lc-AE+Ц. Жидкость, состав которой соответствует точке С, превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита, называемую ледебуритом. |
|
Линия PSK |
При 727°С протекает эвтектическая реакция A - Фр+Ц. В отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоид возникает из твердых фаз. Продукт превращения - эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом. |
|
Линия ES |
Показывает предельную растворимость углерода в аустените. |
|
Линия PQ |
Показывает предельную растворимость углерода в феррите. |
Таблица 5 - Точки диаграммы Fe - Fe3С
Обозначение |
Температура, °С |
Концентрация углерода, % |
Описание |
|
A |
1539 |
0 |
Температура плавления железа. |
|
N |
1392 |
0.1 |
Критическая точка перехода б=г-железа обозначают Ас4 (при нагреве), и Ar1(при охлаждении). |
|
G |
910 |
0 |
Критическая точка перехода б=г-превращения обозначают Ас3 (при нагреве), и Ar3(при охлаждении). |
|
E |
1147 |
2.14 |
Предельное содержание углерода в аустените. |
|
P |
727 |
0.02 |
Предельное содержание углерода в феррите. |
|
C |
1147 |
4.3 |
Нонвариантное равновесие аустенита состава Е, цементита (Fe3C) и жидкой фазы состава С.При кристаллизации жидкого сплава состава С образуется эвтектика ледебурит (аустенит + состав Е + цементит) |
|
S |
727 |
0.8 |
Предельное содержание углерода в аустените. |
Самостоятельная работа 3
В основу маркировки сталей положена буквенно-цифровая система.
Лигированные элементы обозначаются буквами русского алфавита:
Х - хром - Cr Р - бор - В
Г - марганец - Mn С - кремний - Si
Д - медь - Cu Т - титан - Ti
К - кобальт - Co Ф - ванадий - V
Н - никель - Ni Ю - алюминий - Al
М - молибден - Mo В - вольфрам - W
П - фосфор - P
Количество углерода указывается в сотых долях процента цифрой, стоящей в начале обозначения; количество легирующего элемента в процентах указывается цифрой, стоящей после соответствующего индекса. Отсутствие цифры после элемента указывают на то, что его содержание менее 1,5%.
Самостоятельная работа 4
Микроструктура мартенсита стали 50 после закалки
Самостоятельная работа 5.1
Изготовление червяка и колеса из твердых материалов не обеспечивает достаточной износостойкости и сопротивления заеданию. Поэтому одну из деталей передачи выполняют из антифрикционного материала (материала с низким коэффициентом трения, хорошо сопротивляющегося заеданию и износу, работающему в условиях трения скольжения).
В машиностроении применяют конструкцию венцов червячных колес с напрессованным венцом, при небольшом диаметре колес.
Червяк и колесо должны обладать высокой прочностью, изностойкостью и сопротивляемостью заеданию.
Зубчатые венцы червячных колес изготовляют из бронзы, выбор марки материала зависит от скорости скольжения и длительности работы.
При высоких скоростях скольжения и длительной работе рекомендуется оловянные бронзы марок Бр010 Ф1, Бр010Н1Ф1.
При средних скоростях скольжения применяют безоловянистые бронзы марок БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4Л.
Червяки изготавливаются из среднеуглеродистых сталей марок 40х, 40хн с поверхностной или объемной закалкой до твердости 45...53 HRC.
Бронзами называют сплавы меди с любым элементом, кроме цинка.
Легирующие элементы в марках медных сплавов обозначают следующими буквами: А - алюминий, Н - никель, О - олово, Ц - цинк, С - свинец, Ж - железо, Мц - марганец, К - кремний, Ф - фосфор, Т - титан.
Маркировка бронзы:
Буквы Бр обозначают бронзу.
Цифры, следующие за буквой, указывают количество легирующего элемента.
В зависимости от состава бронзы делятся на простые оловянистые и специальные - безоловянистые. Существуют сплавы бронзы с добавлением алюминия, кремния, бериллия и других элементов.
2. Свойства бронзы, содержащие от пяти до десяти процентов алюминия, обладают ценными технологическими и механическими свойствами. Эти бронзы кристаллизуются в узком интервале температур, из-за этого приобретают высокую жидко текучесть и дают концентрированную усадочную раковину.
3. По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные.
Первые легко поддаются штамповке, ковке, рифлению и другим видам обработки давлением, используемым при изготовлении изделий. Литейные бронзы предназначены для фасонных отливок. Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокими прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они весьма стойки на воздухе, в морской воде, растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.
4. Венец колеса целесообразно изготовить из оловянно-фосфористой бронзы марки Бр О10Ф1.
Бронза БрО10Ф1 относится к литейным бронзам.
ув д,%
, б б+д д+е
350 д 50
ув
280 40
210 30
140 20
д
70 10
0 0
0 10 20 30 40 50
Cu Zn, %
Рис 1. Влияние содержания олова на механические свойства литых сплавов систеы Cu - Sn
Марка |
Механические свойства |
Твердость |
|||
Предел прочности ув, МПа |
Относительное удлинение д, % |
Ударная вязкость KCU, МДж/м2 |
|||
БрО10Ф1 |
215…300 |
30 |
0,06 |
80…100 |
|
БрО10Ц2 |
250..350 |
10…35 |
0,1…0,15 |
75…90 |
При содержании олова (Sn) более 8% структура сплава состоит из б-твердого раствора и эвтектоида (б+д). Появление эвтектоида, содержащего твердую фазу д(Cu31Sn8), вызывает повышение твердости и прочности. Максимум значений этих свойств достигается при 20…25% Sn (Рис.1). Пластичность сплавов с увеличением содержания олова сначала возрастает, достигая максимальных значений при 5…7% Sn, а затем резко снижается.
В стандартных сплавах общего назначения верхний предел равен 8…10% Sn.
Кроме химического состава, на свойства литейных оловянных бронз существенное влияние оказывает структурный фактор: размеры и форма зерен б-раствора, расположение и дисперсность (б+д)-эвтектоида в отливке. В бронзах, не содержащих эвтектоид, относительное удлинение составляет 6…10%, появление эвтектоида снижает пластичность до 1…3%. Кроме того, включения твердого эвтектоида (б+д) обеспечивает высокую стойкость бронз против истирания и высокие антифрикционные свойства.
Состав (массовая доля, % компонентов) оловянно-фосфористой бронзы
Марка |
Основные компоненты |
Примеси, не более |
Область применения |
||||
Sn |
P |
Zn |
Cu |
||||
БрО10Ф1 |
9,0…11,0 |
0,4…1,1 |
- |
Ост. |
0,3Zn; 0,3Pb; 0,2Fe; 0,02Al; 0,02Si; 0,3Sb ? 1,0 |
Венцы червячных шестерен, шестерни |
|
БрО10Ц2 |
9,0…11,0 |
- |
1,0…3,0 |
0,05P; 0,5Pb; 0,3Fe; 0,02Al; 0,02Si; 0,3Sb ? 1,0 |
5. Фосфор (Р) значительно улучшает литейные и антифрикционные свойства бронз.
В оловянных бронзах, легированных фосфором, образуется фосфид меди(Cu3P), который наряду с д-фазой, обладает высокой твердостью и обеспечивает повышение износостойкости, создавая необходимые условия для хорошей работы литых антифрикционных деталей узлов трения.
При содержании более 8% Sn в присутствии цинка несколько снижается пластичность бронз из-за увеличения в их структуре твердой и хрупкой (Cu31Sn8)-фазы из эвтектоида (б+д), так как цинк уменьшает растворимость олова в меди.
Оловянные бронзы при литье настолько повышают механические свойства, что в них можно заметно уменьшить содержание таких дефицитных добавок, как никель, олово, сурьма и свинец.
В марке БрО10Ц2содержание легирующего элемента цинка приводит к удорожанию этой марки.
6. Для изготовления червяка редуктора выбираем конструкционную хромистую сталь-40Х.
Механические свойства стали
Марка стали |
Диаметр заготовки мм |
Предел прочности, уВ Н/мм |
Предел текучести, уТ, Н/мм |
Твердость НВ(средняя) |
Термообработка |
|
40Х |
До 120 |
930 |
690 |
270 |
Улучшение |
Самостоятельна работа № 5.3
«Расшифровка марок сталей»
Вариант Задания № 9
Х - хром - Cr Р - бор - В Н - никель - Ni Ю - алюминий - Al
Г - марганец - Mn С - кремний - Si М - молибден - Mo В - вольфрам - W
Д - медь - Cu Т - титан - Ti К - кобальт - Co Ф - ванадий - V
П - фосфор - P Ц - цинк - Zn
Сплав |
Характеристика |
Расшифровка маркировки |
Примерное назначение |
|
Ст.45 |
Сталь конструкционная углеродистая качественная |
45 - 0,45 % С |
Коленчатые валы, зубчатые венцы, маховики, валики, болты, шпильки, цилиндры, шпонки, храповики, муфты, пальцы траков гусениц |
|
38Х2Н3М |
Сталь конструкционная легированная |
38 - 0,38 % С Х2 - Cr 2,0 % Н3 - Ni 3.0 % M - Mo <1 % |
Валы, цельнокованые роторы турбин, диски, валы, крышки трубопроводных машин, детали редукторов, тяжелонагруженные болты и шпильки |
|
ЧВГ45 |
Чугун с вермикулярным графитом для отливок |
45 - 0,45 % С |
Детали, работающие при значительных механических нагрузках, в условиях трения, гидрокавитации, переменных повышенных термоциклических нагрузках |
|
АК8 |
Алюминиевый ковочный сплав |
8 - порядковый номер сплава |
Для тяжело нагруженных штампованных деталей (Подмоторные рамы, стыковые узлы, пояса лонжеронов, лопасти винтов вертолетов, бандажи вагонов) |
|
Л70 |
70 - 70 %Сu Остальное - 30 % Zn |
Радиаторные и гофрированные трубки, полосы, листы, трубы, проволока |
||
Бр О 10Ц2 |
Бронза оловянная литейная |
О 10 - 10 % олова Ц2 - 2 % цинка Остальное - медь (Сu) |
Антифрикционные детали, втулки, вкладыши подшипников, детали трения |
|
ТТ20К9 |
Твердый сплав титано-тантало-вольфрамовый |
Т - 20 % Ti K9 - 9 % Сo |
Резцы, фрезы, сверла, оснащение микрометрического оборудования, опор весов. Рабочая часть клейма, оснащение штампов, комплектующие детали подшипников шарики, ролики, обоймы. |
Контрольная работа | Концепция информатизации Российской Федерации |
Контрольная работа | Причины агрессивного поведения. Методы работы с агрессивными детьми |
Контрольная работа | Алгоритм выбора и реализации предпринимательской идеи |
Контрольная работа | Современные методы арт-терапии |
Контрольная работа | Системы управления взаимоотношения с клиентами |
Контрольная работа | Учет материальных затрат в бухгалтерском учете |
Контрольная работа | Геополитическое положение России |
Контрольная работа | Особенности вознаграждения работников в организации |
Контрольная работа | Виды запасов |
Контрольная работа | Психоанализ |
Контрольная работа | Причини та наслідки техногенних катастроф |
Контрольная работа | Эксплуатация и техническое обслуживание грузоподъемных кранов и скреперов |
Контрольная работа | Зарубіжний досвід матеріального та нематеріального стимулювання персоналу |
Контрольная работа | Дослідження трифазної системи при з’єднанні споживачів зіркою |
Контрольная работа | Проблема профессионально важных качеств профконсультанта |