Министерство транспорта России Дальневосточная государственная морская академия имени адмирала Г.И. Невельского
Г.Б. Кривошеева, В.В. Тарасов, А.П. Герасимов МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Учебное пособие Рекомендовано методическим советом Дальневосточной государственной морской академии в качестве учебного пособия для организации самостоятельной работы
Владивосток 1999
УДК681.3:669.017.12(075.8) Кривошеева Г.Б., Тарасов В.В., Герасимов А.П. Материаловедение: Учеб. пособие. –Владивосток: ДВГМА, 1999. – 110 с. Учебное пособие написано в соответствии с государственным стандартом для студентов технических специальностей вузов, в учебных планах которых совмещены «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов» в единой дисциплине. Предназначено для внеаудиторной работы над курсом, выполнения самостоятельных работ и индивидуальных заданий. Изложены основополагающие разделы предмета: основы теории сплавов, сплавы на основе железа, основы термической обработки углеродистых сталей и зарубежные аналоги отечественных конструкционных металлических материалов. Компьютерная поддержка работ осуществляется через сеть Интранет ДВГМА. Ил. 29, табл. 38, библиогр. 6 назв.
Рецензенты: А.А. Попович, д-р техн. наук, проф., директор института механики, автоматики и передовых технологий ДВГТУ Г.С. Филиппов, д-р траспорта, проф., зав. кафедрой технологии консрукционных материалов Дальрыбвтуза
Кривошеева Г.Б., Тарасов В.В., Герасимов А.П. Дальневосточная государственная морская академия им. адм. Г.И. Невельского, 1999
ВВЕДЕНИЕ Курс «Материаловедение и технология конструкционных материалов» вместе с другими общетехническими дисциплинами направлен на обеспечение общеинженерной подготовки. Учебное пособие предназначено для выполнения самостоятельных работ по разделу «Материаловедение» студентами технических специальностей вузов, при подготовке которых предусмотрено изучение курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов». В основу настоящего пособия положен модульный курс, составленный в соответствии с требованиями государственного стандарта, включающий следующие этапы: изучение теоретического материала, его осмысление и закрепление, приобретение и развитие практических умений. Для реализации поставленной задачи изложены основы теоретического и технического металловедения по четырем разделам: основам теории сплавов, сплавам на основе железа, основам термической обработки углеродистым сталям и зарубежным аналогам отечественных конструкционных металлических материалов. Учебное пособие позволит студентам составить представление о процессах и закономерностях, определяющих формирование структуры и различных свойств металлов и сплавов, технологических приемах, используемых на практике для придания металлам определенных свойств. Книга сопровождается автоматизированным модулем, предназначенным для самостоятельного изучения учебного материала с помощью компьютера.
3
Глава 1 ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ 1.1. Основные теоретические сведения 1.1.1. Независимые термодинамические переменные Двухкомпонентными системами являются сплавы двух компонентов (например, металлов А и В). Величина свободной энергии Гиббса сплава, находящегося под определенным внешним давлением, будет зависеть от температуры сплава и состава фаз o сплава. Диаграмма состояния t C двухкомпонентной системы строится в координатах температура – состав (рис. 1). В точa ′ t ках А и В проходят вертикальные оси, на которых расположены диаграммы состояния компонентов А и В. Точки абсциссы АВ соответствуют составам сплавов компонентов А и В, которые выражаются 60 80 A B через содержание одного из 20 X 40 компонентов (например, ком%B понента В). При этом величина Рис. 1. Координатные оси диаграммы отрезка АВ принимается за состояния двухкомпонентной системы 100% компонента В (или А). Сплаву, содержащему Х % компонента В, на линии составов будет соответствовать точка Х, для которой выполняется соответствие AX X = (1) AB 100
Откуда: X=
AX 100% AB
(2)
Содержание компонента А в сплаве, состав которого соответствует точке Х, будет равно: AB − AX XB (3) (100 − X )% = 100% = 100% AB AB Состояние сплава Х на диаграмме состояния можно характеризовать фигуративной точкой, которая находится на вертикальной прямой, проходящей через точку состава сплава Х. Если исследуемый сплав Х имеет температуру t′, то его состояние соответствует фигуративной точке a на прямой Xa. 4
При изменении температуры образца исследуемого сплава фигуративная точка его будет перемещаться по вертикали Xa. 1.1.2. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях представлена на рис. 2. На диаграмме состояния имеются две линии: А'mB' – линия температур начала кристаллизации (конца плавления) сплавов, или линия ликвидуса α твердого раствора; А'nB' – линия температур конца кристаллизации (начала плавления), или линия солидуса α твердого раствора. Эти линии делят всю диаB' грамму состояния на три фазоЖ вые области. Выше линии ликвидуса располагается область m Ж+ α однофазных жидких растворов, n ниже солидуса – область одноA' фазных твердых растворов. Меα жду линиями ликвидуса и солидуса находится двухфазная обA B %B ласть (Ж+α). Рассмотрим процессы, котоРис. 2. Диаграмма состояния системы А – В с неограниченной растворимостью компонентов в рые будут происходить в сплаве жидком и твердом состояниях Х при его квазистатическом охлаждении (рис. 3а). При охлаждении образца, находящегося в жидком состоянии, до комнатной температуры в сплаве будут наблюдаться две критические точки (m и n), соответствующие температурам t1 и t2. В исходном состоянии сплав представляет собой жидкий раствор, состав которого соответствует составу сплава. При охлаждении образца сплава до температуры первой критической точки t1 сплав будет оставаться однофазным. При температуре t1 из жидкого раствора, состав которого отвечает точке m, начнут выделяться кристаллы α твердого раствора, состав которых соответствует точке k. Произойдет изменение фазового состояния сплава, он станет двухфазным, начнется процесс кристаллизации. Температура t1 – температура ликвидуса сплава Х. Выделение первых кристаллов из жидкости в процессе квазистатической кристаллизации происходит при температуре ликвидуса, поэтому можно считать, что на кривой ликвидуса находятся фигуративные точки таких жидких t, oC
5
t, C
Ж+ α k
m
t1
c
t3 t2
B'
Ж
o
f
d
n
r
α
A' X
A
%B
B
a) o
t, C Ж
Ж
t1 α
Ж t2
Ж
α
α
τ, c в) Рис. 3. Кристаллизация двухкомпонентного сплава: а) диаграмма состояния системы А–В; б) кривые охлаждения и нагревания сплава Х
растворов, которые при соответствующих температурах являются насыщенными относительно кристаллов α твердого раствора. Эти насыщенные жидкие растворы и соответствующие им кристаллы α твердого раствора будут находиться друг с другом в равновесии. В нашем случае в начальный момент квазистатической кристаллизации в образце сплава Х в равновесии находятся жидкий раствор (Жm) и кристаллы твердого раствора αk, состояние которых описывается фигуративными точками m и k. Вариантность такого двухфазного состояния в двухкомпонентном сплаве при постоянном давлении равна С=К-Ф+1=2-2+1=1. Поэтому двухфазное состояние в двухкомпонент6
ном сплаве может существовать в интервале температур. Это означает, что процесс квазистатической кристаллизации твердого раствора в сплаве будет происходить в интервале температур. Ввиду того что выпадающие из жидкости кристаллы αk твердого раствора cодержат меньшее количество компонента А, чем сама жидкость, последняя в процессе кристаллизации будет обогащаться компонентом А. Фигуративная точка, отвечающая жидкой фазе, при понижении температуры будет перемещаться от точки m вниз по кривой ликвидуса, а фигуративная точка, соответствующая α твердому раствору, – от точки k вниз по кривой солидуса. При какой-то промежуточной температуре t2 составы находящихся в равновесии жидкой и твердой фаз, будут описываться фигуративными точками c и d, а состояние сплава Х – фигуративной точкой f. Отрезок cd, соединяющий фигуративные точки равновесных фаз, носит название коноды. Количество каждой из равновесных фаз в рассматриваемом сплаве может быть определено по правилу рычага. Если принять за точку опоры мысленного рычага cd фигуративную точку f, согласно правилу рычага отношение масс фаз будет обратно отношению отрезков от точки f до фигуративных точек соответствующих фаз. Таким образом, mЖ fd , (4) = m α cd где mЖ и mα – масса соответственно жидкой и твердой фаз. Из уравнения (4) следует, что mЖ mЖ fd fd , = = = m Ж + m α m спл cf + fd cd
mα m спл
=
cf , cd
(5)
(6)
где mспл – масса сплава. Как видно из этих уравнений, количество той или иной фазы в сплаве может быть выражено в долях или в процентах от массы всего сплава. При этом вся длина коноды cd будет соответствовать массе всего сплава, то есть 100 %, а отрезки cf и fd – массам α фазы и жидкой фазы. Процесс кристаллизации закончится при такой температуре, при которой отрезок коноды между точками, соответствующими кристаллам α фазы и сплаву, будет равен нулю. Такой температурой будет температура t2. Температура конца кристаллизации сплава t2 называется температурой солидуса сплава. Точки r и n будут соответствовать составам последних капель жидкого раствора и кристаллов α фазы, находящихся в равновесии друг с другом
7
при температуре t2. Следовательно, процесс кристаллизации сплава Х происходит в интервале температур от t1 до t2. При этом фигуративная точка жидкого раствора перемещается по кривой ликвидуса от точки m до точки r, а фигуративная точка α твердого раствора – по кривой солидуса от k до точки n. Процесс кристаллизации является второй стадией процесса охлаждения сплавов. Он может быть записан в виде реакции
t 1− t 2→ α Ж m − r k−n
(7)
Эта реакция является реакцией кристаллизации сплава. При охлаждении сплава Х от t2 до комнатной температуры в нем никаких фазовых превращений не происходит. Эта третья стадия охлаждения может быть записана аналогично первой стадии:
α tn2−−xt 4 .
(8)
При квазистатическом нагревании сплава Х последовательность процессов, происходящих в нем, будет обратной. Кривые охлаждения и нагревания образца сплава Х (рис. 3б) в интервале температур от t1 до t2 изменяют свой ход, что связано с выделением или поглощением теплоты кристаллизации. Поэтому по термограммам охлаждения или нагревания сплава можно определить температуры ликвидуса и солидуса. Подобные кривые получаются и при термическом анализе других сплавов заданной системы. Различие межα ду кривыми охлаждения различных сплавов заключается лишь в температурах критических точек. После квазистатической кристаллизации структура сплава Х будет соРис. 4. Структура сплава Х после ква- стоять из кристаллов α твердого расзистатической (равновесной) кристаллиза- твора, состав которых соответствует ции (схема) составу сплава (рис. 4). 1.1.4. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной раствримостью компонентов в твердом состояниях (эвтектический тип) Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии эвтектического типа приведена на рис. 5. А'e – линия ликвидуса α твердого раствора (твердого раствора компонента В в компоненте А), В'e – линия ликвидуса β твердого раствора (твердого 8
t, o C
B'
A'
Ж
α
a
Ж+β
Ж+ α
b
e
β
α+β A
c
%B
d
B
Рис. 5. Диаграмма состояния эвтектического типа системы А-В
раствора компонента А в компоненте В). А'а и В'b – это линии солидуса α и β твердых растворов соответственно; ab – эвтектическая линия; е – эвтектическая точка; аc является линией ограниченной растворимости компонента В в компоненте А (линией сольвуса α раствора), а bd – линией ограниченной растворимости компонента А в компоненте В (линией сольвуса β раствора). Эти линии разбивают всю диаграмму состояния системы А–В на шесть фазовых областей: три однофазные области (Ж, α, β) и три двухфазные области (Ж+α, Ж+β, α+β). Эвтектическая прямая является по существу седьмой, выродившейся в линию трехфазной областью Ж+α+β. Все сплавы системы А–В могут быть подразделены на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические сплавы. Состав эвтектического сплава соответствует составу точки эвтектики е. Доэвтектические сплавы находятся в области, расположенной между компонентом А и эвтектическим сплавом, а заэвтектические сплавы – в области между эвтектическим сплавом и компонентом В. Проанализируем процессы, происходящие при охлаждении эвтектического сплава Х такой системы, в которой величина предельной растворимости как компонента В в α твердом растворе, так и компонента А в β твердом растворе не изменяется при изменении температуры (рис. 6а). Вертикаль, проходящая через точку Х, пересекает линии диаграммы состояния в точке е. Следовательно, сплав Х будет иметь одну критическую точку, которой соответствует эвтектическая температура te. При охлаждении сплава до te фазовый состав сплава изменяться не будет. 9
t, oC Х B'
t, oC Ж
A'
Ж
Х
Ж+ β
Ж+ α
te
α
A
b
e
a
te
β
Ж
α+β α+β
α+β c
%B
d
τ, c
B
а)
б)
Рис. 6. Кристаллизация эвтектического сплава: а) диаграмма состояния системы А – В; б) кривая охлаждения эвтектического сплава Х
Точка е одновременно принадлежит как кривой ликвидуса α твердого раствора, так и кривой ликвидуса β твердого раствора. Жидкий сплав, фигуративная точка которого соответствует точке е, будет одновременно насыщен как по отношению к кристаллам α раствора, так и по отношению к кристаллам β фазы. Поэтому из этого жидкого раствора в процессе квазистатической (равновесной) кристаллизации одновременно будут выделяться как α, так и β кристаллы. Получающаяся в результате кристаллизации сплава Х смесь α и β кристаллов носит название эвтектической смеси, или эвтектики. Процесс эвтектической кристаллизации может быть записан в виде реакции
t
e →α + β . Ж е a b
(9)
При квазистатической эвтектической кристаллизации в образце сплава Х в равновесии находятся три фазы: жидкий раствор, кристаллы α твердого раствора и кристаллы β твердого раствора, составы которых соответствуют фигуративным точкам е, a и b. Вариантность трехфазного состояния двухкомпонентного сплава С=К-Ф+1=2-3+1=0. Следовательно, трехфазное состояние может существовать только при определенной температуре te и равновесная эвтектическая кристаллизация будет происходить при постоянной температуре. После окончания эвтектической кристаллизации структура сплава будет представлять собой эвтектическую смесь кристаллов α и β фаз. Соотношение количеств этих фаз в эвтектике
10
mα be = mβ ae
.
(10)
Предельные растворимости компонентов А и В в фазах α, β при изменении температуры не изменяются, поэтому в процессе охлаждения сплава Х до комнатной температуры составы фаз в сплаве изменяться не будут. На рис. 6б представлена кривая охлаждения сплава Х. На кривой охлаждения наблюдается горизонтальная площадка, соответствующая эвтектической кристаллизации. Микроструктура эвтектического сплава (рис. 7) имеет одну структурную составляющую эвтектику, но фазовых составляющих в структуре сплава Х будет две. Это эвтектические кристаллы α твердого раствора и эвтектические кристаллы β твердого раствора. Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении образца доэвтектического сплава Х1 такой системы, в которой предельная растворимость компонента В в α твердом растворе и предельная растворимость компонента А в β твердом растворе уменьшаются с понижением температуры (рис. 8). Вертикаль сплава Х1 пересекает в точках 1 и 2 две линии диаграммы состояРис. 7. Микроструктура эвтек- ния. В интервале температур от t1 до te происходит кристаллизация твердого раствора тического сплава (схема)
Эвтектика ( α+β )
t1 − t2 Ж1 − e → α f − a .
(11)
Кристаллы α фазы, выделяющиеся в эту стадию кристаллизации, называются первичными. В конечный момент кристаллизации фигуративная точка первичных кристаллов оказывается в точке а, а фигуративная точка жидкого раствора в точке е. При температуре te жидкий раствор кристаллизуется в виде эвтектики
te → α + β . Ж e a b
(12)
Таким образом, кристаллизация сплава Х1 происходит в две стадии. Поэтому после эвтектической кристаллизации при температуре te структура сплава будет состоять из двух структурных составляющих: первичных кристаллов α твердого раствора и эвтектики αа+βb. Фазовых составляющих в структуре сплава Х1 после кристаллизации эвтектики будет также две. Это кристаллы α и β фаз. 11
В результате того, что предельная растворимость компонента В в α твердом растворе уменьшается с понижением температуры, в процессе охлаждения будет происходить распад α твердого раствора с выделением вторичных β кристаллов. При этом фигуративная точка α кристаллов будет перемещаться по кривой аd, а β кристаллов – по кривой bc. Этот процесс может быть записан в виде реакции
te − t k α a − d → βb − c .
(13)
В результате этого процесса в кристаллах α фазы появятся мелкие вторичные кристаллы β фазы. С понижением температур предельная растворимость компонента А в β твердом растворе также уменьшается, поэтому аналогичный процесс будет происходить и в кристаллах β фазы:
te − t k βb − c → α a − d .
(14)
Реакции (11) и (12) могут быть объединены, так как они протекают одновременно: te − t k α a − d (15) → βb − c . В результате этих процессов появляются вторичные кристаллы в первичных кристаллах a фазы и в кристаллах α и β фаз эвтектики. Однако выделения вторичных кристаллов в эвтектике не заметно, так как сама эвтектика на шлифе выглядит как достаточно дисперсная смесь двух видов кристаллов. Поэтому вторичные кристаллы заметны только в первичных кристаллах α твердого раствора. Кривая охлаждения Х2 приведена на рис. 8б. В структуре сплава Х1 рис. 9а наблюдаются следующие структурные составляющие: первичные кристаллы α твердого раствора с выделением вторичных β кристаллов и α+β эвтектика. В структуре будут две фазовые составляющие: кристаллы αd и βс фаз, состав которых соответствует фигуративным точкам d и c. Заэвтектический сплав Х2 также имеет две критические точки (точки 3 и 4). При охлаждении сплава Х2
12
3 − te → β q − b , Ж 3 − e t
(16)
te → α + β , Ж e a b
(17)
3 − t комн. → βb − c . α a − d t
(18)
t,o C
X2 X1
3
Ж
A' 1
t1
Ж+ α 2 a
f
α
B'
t,o C
Ж+ β b
e
β
c
1
α %B
Ж 3
t2 = te t e
α+ β
A
Ж
t1
4
X2
t3
t3
g
X1
α α+β
Ж Ж
β
Ж
α
β
α+β
Ж
β
τ, c
d B б)
а)
Рис. 8. Кристаллизация доэвтектического и заэвтектического сплавов: а) диаграмма состояния эвтектического типа системы А–В; б) кривые охлаждения сплавов Х1 и Х2(б)
Видно, что процесс кристаллизации этого сплава происходит в две стадии и в структуре сплава будут следующие структурные составляющие: первичные кристаллы β фазы с включениями вторичных α кристаллов и эвтектика (рис. 9б). Кривая охлаждения сплава Х2 приведена на рис. 8б. В других до- и заэвтектических сплавах при их охлаждении из жидкого состояния будут происходить процессы, аналогичные рассмотренным выше сплавам Х1 и Х2. Эвтектика
α
(α+β) α вторичные
β вторичные
β
Эвтектика
(α+β)
а)
б) Рис. 9. Схематическое изображение микроструктуры: а) сплав Х1; б) сплав Х2
Рассмотрим процессы, происходящие при квазистатическом охлаждении образца доэвтектического сплава Х3 (см. рис. 10). Вертикаль сплава пересекает три линии диаграммы состояния в точках 5 – 7. Поэтому при охлаждении сплава Х3 будут наблюдаться три критические точки (t5, t6 и t7): t −t α 66 − 7 7 , (19) 13
t7 − tкомн. α7 − d →β p − c .
(20)
Стадии охлаждения до температуры t7 аналогичны стадиям охлаждения и кристаллизации сплавов типа твердых растворов. При температуре t7 фигуративная точка сплава оказывается на кривой сольвуса α твердого раствора. Поэтому α твердый раствор будет насыщенным относительно кристаллов β фазы и при дальнейшем охлаждении из кристаллов α фазы будут выделяться t,o C
B'
Х3
A' t5
51
t6
6
α t7
t5
61
Ж+ α a α+β
te
Ж
Ж
5
t6
Ж+ β e
b
7
%B а)
5 6
α
Ж α
β 71
A d
t,o C Х3
7
t7
α
βвтор
τ, c
c B б)
Рис. 10. Кристаллизация сплава Х3: а) диаграмма состояния эвтектического типа системы А-В; б) кривая охлаждения сплава X3 (б)
вторичные кристаллы β фазы. Эти кристаллы β фазы образуются как по границам, так и внутри α кристаллов. На рис. 11 β вторичные α приведена структура образца сплава Х3, а на рис. 10б – кривая его охлаждения. Структура сплава Х3 имеет одну структурную составляющую. Это кристаллы α раствора, содержащие включения вторичных кристаллов β твердого раствора. В структуре сплава Х3 будут фазовые Рис. 11. Схема микрострук- составляющие: кристаллы α и β фаз. туры сплава Х3
1.2. Компьютерная поддержка выполнения задания Компьютерная поддержка по первой главе включает в себя информационный материал теоретического курса и тренажер домашнего задание № 1. Эти ресурсы хранятся на компьютере кафедры "Технология материалов", доступны каждому курсанту и могут быть скопированы на дискеты для использования ими при непосредственной работе на компьютере. Для получения копий необходимо обратиться к оператору кафедры. 14
Ресурсы могут пересылаться по локальной сети ДВГМА на другой компьютер и распечатываться для получения твердой копии. Для этого необходимо на экране (рабочем столе) компьютера активизировать и раскрыть пиктограмму “Сетевое окружение”. В диалоговом окне “Сетевое окружение” последовательно выбрать пиктограммы каталогов: Вся сеть/Fesma/smf/Tm. В каталоге Tm выбрать Resors в котором содержатся файлы доступные для копирования. Информационный материал в виде гипертекста хранится на локальном сервере ДВГМА и доступен через Internet по адресу //lynk.8080/pages/tekhnol/. Адрес электронной почты в локальной сети ДВГМА – Кривошеева Галина Борисовна. Адрес кафедры "Технология материалов" на локального сервера ДВГМА – Fesma/tm (в настоящее время доступен только в сети ДВГМА). Информационный материал теоретического курса включает: 1. Основы теории сплавов. Имя файла – Glava1.doc. 2. Терминологический словарь. Имя файда – Termin.doc. Файлы формата (с расширением) doc поддерживаются редактором Microsoft Word, являющимся приложением Windows 95. Компьютерная поддержка выполнения домашней работы включает: 1. Бланк задания домашней работы с вариантами заданий, исходными диаграммами и контрольными вопросами. Имя файла – Home1.doc; 2. Исполнительный файл с именем Home.exe – тренажерной программы домашней работы, позволяющей на компьютере смоделировать диаграмму состояния и по заданному процентному содержанию углерода построить кривую охлаждения заданного сплава, найти схему его микроструктуры, провести расчеты химического состава фаз, находящихся в равновесии и их массовой доли. Программа разработана под MS DOS и поддерживается на PC 286 и выше. Использование программы требует от пользователя элементарных навыков работы с компьютером. Достаточно скопировать файл на жесткий диск, активизировать его с помощью клавиатуры или мыши и нажать клавишу Enter или сделать два щелчка мышью. После загрузки программы необходимо строго следить за сообщениями на экране и переходить к очередному этапу выполнения задания нажатием клавиши Enter. По заданным исходным данным моделируются диаграммы состояния. Автоматически создается внешний текстовый файл с именем Home.lsp, содержащий исходный код на языке программирования AutoLisp, который записывается в каталог исполнительного файла Home.exe. Файл Home.lsp можно использовать для получения векторных рисунков диаграмм состояния в соответствии с выбранным вариантом домашнего задания. Построение выполняется с помощью программы САПР AutoCad. Для этого пользователю необходимо иметь навыки работы с программным продуктом AutoCad версии 10 и выше. 15
Таблица 1 Компьютерные ресурсы по первой главе № пп 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Наименование продукта
Имя фойла и Объем на расширение диске, kbt
Основы теории сплавов (Текстовый файл) Справочник терминов Бланк домашнего задания № 1 с контрольными вопросами Домашнее задание № 1 Компьтерный тренажер (Исполнительный файл) Диаграммы состояния (Исходный код на языке программирования AutoLisp) Микроструктуры двойных сплавов (фото и рисунки микроструктур)
Glava1.doc
200.0
Termin.doc Home.doc
30.4 24.8
Home.exe
200.7
Home.lsp
13.5
Microstr.doc
543
1.3. Индивидуальное задание № 1 1.3.1. Варианты задания В таблице 2 приведены исходные данные для выполнения первого домашнего задания, типы диаграмм состояния (колонка 2 табл.) представлены на рис. 12, 13, 14. Таблица 2 Исходные данные для выполнения задания № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
16
Тип диаграммы 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Состав сплава 10 % А 10 % А 60 % А 80 % В 10 % В 70 % В 20 % А 60 % А 70 % А 20 % В 80 % В 20 % В 30 % А 40 % А 70 % В
№ варианта 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Тип диаграммы 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Состав сплава 30 % В 30 % В 30 % В 40 % А 80 % А 40 % А 90 % В 40 % В 40 % В 50 % А 60 % А 70 % А 70 % В 80 % В 90 % В
t, oC
Диаграмма 1
B'
A'
A
10
20 30
40 50
60 70 80 90
B
Рис.12. Диаграмма состояния (тип 1)
t, oC Диаграмма 2
B'
A'
A
10
20 30
40 50
60 70
80 90
B
Рис.13. Диаграмма состояния (тип 2)
t, oC A'
Диаграмма 3
A 10 20 30 40 50 60 70 80 90
B'
B
Рис.14. Диаграмма состояния (тип 3)
17
1.3.1. Порядок выполнения задания Для выполнения задания необходимо: 1. Выяснить у преподавателя курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Ваш порядковый номер по классному журналу (этот номер соответствует № варианта по табл.2), определить соответствующий этому варианту тип диаграммы состояния и состав сплава. (Например, для варианта задания № 15 следует копировать диаграмму состояния третьего типа (рис.14), выписать состав двойного сплава равный 70 % компонента В). 2. Изобразить диаграмму состояния системы АВ в соответствии с Вашим вариантом задания в фазовом и структурном виде. 3. Обозначить на рисунках критические точки, линии ликвидуса, солидуса, сольвуса, фазовые превращения, фазовые и структурные области. 4. Нанести на диаграмму фигуративную линию контрольного сплава с указанием критических точек. 5. Построить кривую охлаждения двойного сплава заданного состава, рассмотреть превращения, проходящие при его кристаллизации. 6. В середине температурного интервала первичной кристаллизации заданного сплава определить количественное соотношение фаз и их химический состав. 7. Изобразить микроструктуру заданного сплава при нормальной температуре, отметив структурные составляющие и фазы. Отчет по домашнему заданию выполняется по установленной форме на форматных листах (А4). Защита задания проводится на 5 неделе занятий в часы консультаций. 1.3.2. Контрольные вопросы для защиты задания 1. Что означает проекция точки пересечения коноды с линией солидуса на ось концентраций? 2. Что означает проекция точки пересечения коноды с линией ликвидуса на ось концентраций? 3. Конода разделена точкой, показывающей состав сплава на два отрезка. Отрезок прилегающий к линии ликвидуса вдвое длиннее. Каков процент жидкой фазы в сплаве? 4. Конода разделена точкой, показывающей состав сплава на два отрезка. Отрезок прилегающий к линии ликвидуса вдвое длиннее. Каков процент твердой фазы в сплаве? 5. На какой линии лежит точка, соответствующая концу равновесной кристаллизации сплава? 6. Сколько фаз находятся в равновесии при первичной кристаллизации двухкомпонентного сплава не эвтектического состава? 18
7. Как называется разница между температурой плавления и кристаллизации металла? 8. Из каких фаз состоит структура сплава, содержащего 30 % компонента А (рис. 13) в области первичной кристаллизации? 9. Каким образом изменяется состав твердой фазы при кристаллизации сплава, содержащего 60 % компонента В (рис.12)? 10. Сплав с какой структурой (рис.14) будет иметь минимальную температуру плавления? 11. Как называется способность твердого тела существовать в нескольких кристаллических структурах? 12. По какой линии изменяется состав жидкой фазы в процессе кристаллизации? 13. По какому правилу определяется состав фаз? 14. По какому правилу определяется количество фаз, находящихся в равновесии? 15. В каких координатах строят кривые охлаждения сплавов? 16. Как называется переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры? 17. Как называется группа химических элементов, обладающих в области низких температур явлением сверхпроводимости? 18. Как называется линия диаграммы состояния на которой лежат точки, соответствующие началу равновесной кристаллизации сплава? 19. Как называется линия диаграммы состояния на которой лежат точки, соответствующие концу равновесной кристаллизации сплава? 20. Что называют зерном металла? 1.4. Информационно–справочные данные Аллотропия, или полиморфизм (allotropy/polymorphism) – способность некоторых металлов существовать в двух или нескольких кристаллических формах. Анизотропия (anisotropy) – различие свойств металлов и сплавов в разных кристаллографических направлениях. Гетерогенная система (от греч. heterogenes – разнородный) – макроскопически неоднородная физико-химическая система, состоящая из различных фаз, разграниченных поверхностями раздела. Гетерогенные сплавы (heterogeneous alloy) – сплавы, структура которых состоит из двух или более фаз. Гомогенизационный отжиг (diffusion annealing, homogenizing) – отжиг при высокой температуре и длительной выдержке с целью уменьшения химической неоднородности, обусловленной ликвацией.
19
Гомогенная система (от греч. homogenes - однородный) – макроскопически однородная система, состоящая из одной фазы. Гомогенные сплавы (homogeneous alloys) – сплавы, структура которых состоит из одной фазы (например, твердого раствора). Двойные системы, или бинарные, двухкомпонентные (double system, or binary, two components) – физико-химические системы, состоящие из двух независимых составных частей (компонентов). Дендрит (dendrite) – кристалл древовидной формы, возникающий при кристаллизации в результате различий в скоростях роста зародыша в разных кристаллографических направлениях. Дендритная ликвация (dendrite liquation) – ликвация внутри одного дендрита или зерна, определяемая интервалом и скоростью кристаллизации. Диаграмма состояния (phase equilibrium diagram, equilibrium, diagram, constitutional diagram) – диаграмма, показывающая равновесное фазовое состояние сплавов при разных температурах (давлениях) в зависимости от их концентрации или графическое изображение соотношения между параметрами состояния термодинамически равновесной системы (температурой, химическим и фазовым составом). Зерно (grain) – отдельные кристаллиты поликристаллического конгломерата, разделенные между собой границами. Зональная ликвация (zonal liquation) – ликвация в отдельных частях слитка или изделия. Инконгруэнтно плавящиеся фазы (incongruently fusil phases) – промежуточные фазы, при плавлении которых состав образующейся жидкой фазы отличается от состава твердой фазы. Интерметаллид (metallide) – химическое соединение двух или более металлов между собой; обычно имеет широкую область гомогенности. Квазистатические (равновесные) процессы (infinitesimal equilibrium processes) – процессы, которые протекают при бесконечно малых отклонениях. Компоненты (components) – это химические индивиды, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз термодинамической системы. Компонент (component) – чистый химический элемент или устойчивое химическое соединение, входящие в состав сплава. Конгруэнтно плавящиеся фазы (congruently fusil phases) – промежуточные фазы, при плавлении которых составы твердой и жидкой фаз совпадают. Конода – связующая прямая, соединяющая сопряженные точки, изображающие составы равновесных фаз или линия, соединяющая составы фаз, находящихся в равновесии или линия на диаграмме состояния между двумя нодами, соответствующая постоянным внешним условиям (температура, давле20
ние) сосуществования фаз и позволяющая определить состав каждой из фаз и их количественное соотношение в данном сплаве. Концентрация (concentrate) – количество вещества, содержащееся в единице массы или объема сплава. Кривая нагрева (охлаждения) (heating/cooling curve) – график, характеризующий увеличение (уменьшение) температуры от времени. Кристаллизация (crystallization) – процесс образования кристаллов из жидкого, газообразного и твердого состояний. Критические точки (critical (thermal) points) – точки, соответствующие изменению фазового состояния в сплаве. Ликвация (liquation) – неоднородность сплава по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям, образующаяся при кристаллизации слитка. Ликвидус (liquidus) – геометрическое место точек температур начала кристаллизации всех сплавов системы или графическое изображение на диаграмме состояния (точка, линия или поверхность) зависимости температур начала кристаллизации (или завершения расплавления) от химического состава сплава. Макроструктура (macrostructure) – строение металлов и сплавов, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы на шлифованных и/или протравленных образцах. Метастабильная фаза (metastable phase) – промежуточная, относительно устойчивая фаза, которая может перейти в более устойчивую под действием внешнего воздействия или самопроизвольно. Микроструктура (microstructure) – строение металлов и сплавов, выявляемое с помощью микроскопа на шлифованных и (или) протравленных образцах (в оптическом и растровом электронных микроскопах) или на репликах и фольгах (в просвечивающем электронном микроскопе). Монотектическое превращение (monotectic transformation) – процесс превращения жидкой фазы в две новые: твердую и жидкую, отличающуюся от исходной составом; в равновесных условиях происходит при постоянной температуре. Неограниченный твердый раствор (unlimited solid solution) – твердый раствор замещения между двумя или более компонентами, неограниченно растворимыми в твердом состоянии. Нода – точка, определяющая состав фазы на диаграмме состояния. Нонвариантное (безвариантное) равновесие (nonvariant equillibrium) – равновесие, при котором сплав из данного числа фаз может существовать только в совершенно определенных условиях: при постоянной температуре и 21
определенном составе всех находящихся в равновесии фаз. Это означает, что превращение начинается и заканчивается при одной постоянной температуре. Область несмешиваемости (miscibility gap) – область на диаграмме состояния область, в которой происходит расслаивание растворов металлических сплавов. Ограниченный твердый раствор (limited solid solution) – твердый раствор между двумя или более компонентами, существующий до определенной, ограниченной концентрации компонентов. Ордината сплава – вертикальная прямая, проходящая через точку состава сплава. Пересыщенный твердый раствор (supersaturated solid solution) – раствор, в котором концентрация растворенного элемента больше равновесной для данной температуры. Перитектика – смесь двух фаз, образовавшихся в результате перитектического превращения. Перитектическое превращение (перитектическая реакция) (peritectic transformation/ reaction) – процесс взаимодействия кристаллов твердого раствора с жидкостью, происходящий при постоянной температуре и постоянной концентрации фаз, приводящий к образованию кристаллов другого твердого раствора. Перитектическое превращение (peritectic transformation) – процесс образования твердой фазы в результате взаимодействия жидкой и другой твердой фазы, отличающейся от новой составом и структурой; в равновесных условиях происходит при постоянной температуре. Перитектоидное превращение (peritectoid transformation) – фазовое превращение в твердом состоянии при охлаждении, заключающееся в образовании одной новой фазы из двух других; полностью обратимо при нагреве. Правило отрезков (rule of segments) (рычага) используют для определения количественного соотношения фаз, находящихся в равновесии при данной температуре. Согласно этому правилу, например, для определения массового или объемного количества твердой фазы необходимо вычислить отношение длины отрезка, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всей коноды; для определения количества жидкой фазы – отношение длины отрезка, примыкающего к составу твердой фазы, к длине коноды. Правило фаз (правило равновесия фаз) Гиббса (rule of phase equilibrium) позволяет определить закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе, устанавливая зависимость между числом термодинамических степеней свободы (С), числом компонентов (К), образующих систему, и числом фаз (Ф), находящихся в равновесии: С = К - Ф + 2, где 2 – число внешних 22
факторов. При изучении физико-химических равновесий за внешние факторы, влияющие на состояние сплава, принимают температуру и давление. Применяя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор -температуру, т.к. давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях. Тогда уравнение примет следующий вид: С = К - Ф + 1. Промежуточные фазы (intermediate phases) – твердые фазы, которые образуются в интервале концентраций между граничными твердыми растворами на основе компонентов. От граничных растворов на диаграмме состояния промежуточные фазы всегда отделены двухфазными областями. Промежуточные фазы переменного состава (intermediate phases of variable composition) – это фазы, имеющие сравнительно широкие области гомогенности. Могут представлять собой твердые растворы на базе определенных химических соединений или растворы на базе несуществующих полиморфных модификаций одного из компонентов, которые оказываются устойчивыми из-за концентрационного полиморфного превращения. Промежуточные фазы постоянного состава (intermediate phases of fixed composition) – это определенные химические соединения компонентов, для которых характерны очень узкие (практически отсутствующие) области гомогенности. На диаграмме состояния эти области изображаются вертикальными прямыми (ординатами). Равновесное состояние термодинамической системы (state of equilibrium of thermodynamic system) характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью термодинамических параметров во времени и отсутствием в системе потоков энергии и вещества. Раствор (solution) – однородная смесь двух или большего числа компонентов, равномерно распределенных в виде атомов, ионов или молекул в жидкости или твердом веществе. Солидус (solidus) – геометрическое место точек температур конца кристаллизации всех сплавов системы. Сольвус (solvus line, solvus) – линия ограниченной растворимости в твердом состоянии на диаграмме состояния. Сплавы – однородные системы из двух или более элементов, претерпевающие переход из жидкого состояния в твердое агрегатное состояние и обладающие характерными металлическими свойствами. Стабильная фаза (stable phase) – фаза, устойчивая в данных условиях. Структура (structure) – собирательное название характеристик макроскопического и микроскопического строения вещества. 23
Структурная составляющая (structural component) – элемент микроструктуры сплава с характерным и однообразным строением, а также или отдельные элементы микроструктуры сплава с характерным строением при средних увеличениях. Твердый раствор (solid solution) – однородные твердые вещества, состоящие из нескольких компонентов, концентрация которых может быть изменена без нарушения однородности, или однофазное твердое состояние сплава, представляющее собой кристаллическую решетку растворителя, в которой находятся атомы одного или более растворенных элементов. Твердый раствор внедрения (interstitial/introduction solid solution) – раствор между металлом и неметаллом, в котором атомы неметалла располагаются в междоузлиях атомов металлов. Твердый раствор замещения (substitutional solid solution) – раствор между двумя или более металлами, в котором атом одного компонента занимает место любого атома в кристаллической решетке второго компонента. Темп кристаллизации (rate of crystalline growth) характеризует увеличение в сплаве количества кристаллов при понижении температуры, т.е. скорость кристаллизации по температуре dm /dt , где m – масса выпадающих кристаллов и t –температура. Термодинамическая система (thermodynamic system) – это отделенная от внешней среды реальными или воображаемыми границами и заполненная веществом часть пространства, внутри которой между составляющими систему материальными объектами возможен обмен энергией и веществом. Термодинамические степени свободы (thermodynamic degree of freedom) – это термодинамические параметры равновесной системы (температура, давление и концентрация), которым можно придавать произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не появлялись новые и не исчезали старые фазы. Фаза (phase) – это совокупность тождественных по химическому составу гомогенных частей термодинамической системы, одинаковых по всем свойствам, не зависящих от массы, или однородная часть гетерогенной системы с собственным химическим составом, строением, свойствами, отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Под фазами термодинамической системы понимают такие части гетерогенной системы, которые имеют одинаковое строение и в стабильном состоянии - одинаковый состав. Фазовое, или гетерогенное, равновесие (phase or heterogeneous equilibrium) – это равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из двух или большего числа фаз. 24
Фазовое превращение (phase transformation) – превращение, при котором происходит изменение фазового состояния системы. Шлиф (polished surface of metal/mineral section) – полированная поверхность сечения металла или минерала, подготовленная для визуального или микроскопического исследования. Эвтектика (eutectic, eutectic mixture) – эвтектическая смесь двух или более фаз, образующаяся из расплава при эвтектической температуре. Эвтектическое превращение (eutectic transformation) – превращение, происходящее при постоянной температуре и неизменных составах участвующих фаз, одной из которых является жидкость или процесс образования двух или более твердых фаз из жидкой; в равновесных условиях происходит при постоянной температуре. Эвтектоид (eutectoid, eutectoid mixture) – эвтектоидная смесь фаз, образующаяся из твердого раствора в результате его распада при эвтектоидной температуре. Эвтектоидное превращение (eutectoid transformation) – превращение, происходящее при постоянной температуре и неизменных составах участвующих фаз, находящихся в твердом состоянии, или полиморфное превращение, заключающееся в распаде при охлаждении равновесного твердого раствора на две стабильные фазы; характеризуется температурой эвтектоидного превращения, при которой все три фазы находятся в равновесии; полностью обратимо при нагреве.
25
Глава 2 ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ 2.1. Диаграмма системы Fe-Fe3C Несмотря на то, что промышленные железные сплавы – сталь и чугун, как правило, содержат некоторые примеси (кремний, марганец, серу, фосфор, кислород, азот и др.), т.е. практически являются многокомпонентными, однако основными составляющими, определяющими структуру и свойства, являются железо и углерод и условно их можно рассматривать как двойные. 2.1.1. Характеристика чистых компонентов Железо. Широкое применение сплавов на основе железа (сталь и чугун) определяется следующими характерными особенностями железа: его дешевизной, большим содержанием железа в земной коре (5,1 %), легкостью извлечения железа из его окислов, т.е. его легкой восстанавливаемостью. Особенно важным свойством железа является его аллотропия, т.е. наличие нескольких кристаллических модификаций, что дает возможность упрочнять сплавы на основе железа посредством термообработки с получением мартенсита. Железо находится в периодической системе Д.И. Менделеева в 1У периоде, в восьмой группе (порядковый номер 26). Это переходный металл с электронной структурой 1S22S22р63S23p63d6 4S2. Застройка более высокого 4S уровня при незаполненной 3d оболочке приводит при определенных условиях к возможности обмена 4S и 3d электронов; чем можно объяснить переменную валентность и другие свойства железа. Температура плавления чистого железа (99,9917 %) равна 1539 °С, кипения – 3200 °С. Плотность – 7,874 т/м3, атомный вес – 55,85. Твердость железа зависит от чистоты металла. Твердость чистого железа равна 490 МПа, технического (99,8 – 99,9 %) – около 900 МПа. Механические свойства железа: предел прочности при растяжении σв=300 – 350 МПа, относительное удлинение δ=40 %, поперечное сужение Ψ=70 %, т.е. железо хорошо подвергается пластической деформации. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. Кристаллическая решетка Feα – ОЦК (объемноцентрированная кубическая); Feγ – ГЦК (гранецентрированная кубическая). Полиморфное превращение сопровождается изменением объема, поскольку переход o 911 C Fe γ → Feα cвязан с уменьшением компактности решетки. Различие
объемов составляет около 1 %. Впервые критические точки железа были определены в 1868 г. Д.К. Черновым по цвету каления, изменению объема, пластичности и другим свойствам. В 1888 г. французский ученый Флорис 26
Осмонд предложил каждую критическую точку обозначить индексом А (от французской “arret” – что означает остановку на термической кривой. Для различия критических точек при нагревании и охлаждении к обозначению критической точки А добавляется индекс “с” (от французского слова choftage – нагревание) или индекс “r” (от французского refroidissement – охлаждение). В табл. 3 приводятся обозначения критических точек чистого железа и сплавов железо-углерод. Таблица 3 Критические точки чистого железа и сплавов Fe-Fe3C Температура превращения, °С 1539
Обозначение критических точек при нагреве при охлаждении – –
Примечание Плавление, кристаллизация
910
Ас3
Аr3
Feα↔ Feγ
770
A2
A2
Магнитное превращение железа
727
Ас1
Ar1
Эвтектоидное превращение цементита
210
Ао
Магнитное превращение цементита
Углерод. Вторым основным компонентом железоуглеродистых сплавов является углерод. Углерод неметаллический элемент П периода, 1У группы. Он занимает шестое место в периодической системе Д.И. Менделеева. Распределение электронов в атоме углерода имеют вид: 1S22S22P2. Обладает относительно малой плотностью 2,3 т/м 3 , температура плавления в около 3500 °С. Углерод полиморфен. В обычных условиях углерод находится в виде графита с гексагональной слоистой решеткой (рис. 15). а В каждом слое (в плоскости базиса) атомы углерода находятся на небольшом расстоянии друг от друга и между ними дейРис.15. Кристаллическая решетка графита. ствуют прочные ковалентные связи. Расстояние между слоями значительно большее и между ними действуют слабые связи (типа сил Вандер-Ваальса). Метастабильная модификация углерода – алмаз имеет кубическую решетку. Диаграмма состояния железо-углерод должна, очевидно, охватывать все сплавы от 0 до 100 % углерода. Однако, как правило, приводится
27
небольшой участок системы от железа до ближайшего химического соединения Fe3C. Это обусловлено тем, что практически применяются сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) с содержанием углерода не более 5 %. Обычно на диаграмме фазового равновесия системы железо-углерод наносят одновременно систему железо-карбид железа (Fe-Fe3C) – сплошные линии диаграммы – метастабильное равновесие и пунктирные линии – стабильное равновесие Fe-C. В настоящем домашнем задании мы рассматриваем только упрощенную (без перитектического превращения) диаграмму фазового равновесия железо-цементит. 2.1.2. Основные фазы, их строение и свойства В сплавах системы Fe-Fe3C встречаются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы на основе различных кристаллических модификаций железа, химическое соединение Fe3C (цементит). На рис.16 представлена диаграмма состояния железо-цементит в фазовом виде. t, oC A 1539
D
A
Ж Ц+Ж
А+Ж
o
1147 C
A 911
C
E
G Ф+А
А+Ц
S
727 oC
Ф P
Fe Q
K
Ф+Ц 0,8
F
2,14
4,3 %C
6,67
Рис.16. Фазовая диаграмма состояния железо-цементит
Жидкая фаза представляет собой неограниченный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус АСD – от 0 до 6.67 %С. Твердые растворы. В данной системе имеются твердые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они являются твердыми растворами внедрения, т.е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях. Твердый раствор углерода в α-железе называется ферритом. В феррите сохраняется кристаллическая решетка α-железа – объемно-центрированный куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG. Максимальная растворимость углерода в нем не более 0,025 %, при комнатной температуре она равна 0,006 %. Твердость феррита около
28
800–1000 МПа, предел прочности σв∼250 МПа; σт∼120 МПа, относительное удлинение (δ) до 50 %, а поперечное сужение Ψ-до 80 %. До температуры 770 °С феррит ферромагнитен, выше – парамагнитен. Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой, который называется аустенитом. В аустените предел растворимости достигает 2,14 %. Твердость его равна 1700 – 2000 МПа, σв – 50 – 80 МПа. Аустенит обладает и малой склонностью к хрупкому разрушению. Как в феррите, так и в аустените осуществляется металлический тип связи. Цементит. При обычном охлаждении в металлической изложнице, т.е. при значительных переохлаждениях (∆Т) процесс затвердевания протекает по метастабильной диаграмме. Углерод в этом случае находится в связанном состоянии в виде карбида железа Fe3C, называемого цементитом. Цементит содержит 6,67 %С, обладает сложной орторомбической решеткой. В решетке цементита реализуются связи как ковалентные так и металлического типа. Это подтверждается высокой твердостью (∼10000 МПа) и хрупкостью, характерными для промежуточных фаз. Температура плавления цементита точно не установлена и принимается равной ∼1600 °С. 2.1.3. Линии, точки, концентрации, температуры Все линии диаграммы можно разделить на следующие группы: линии ликвидус – начало затвердения при охлаждении или конец плавления при нагревании; линии солидус – конец затвердевания при охлаждении и начало плавления при нагревании; линии превращения в твердом состоянии. Из них особо выделяются горизонтальные линии (параллельные оси составов), отвечающих нонвариантному равновесию. В табл.4 приведены основные характеристики линий диаграммы. Таблица 4 Характеристики линий диаграммы Индекс линий
Температурный интервал, °С
АС
1539° – 1147°
СD
1147° ∼ 1600°
АЕ
1539° – 1147°
ЕСF
1147°
Интервал концентра- Основная характеристика линии ций (% углерода) Линия ликвидуса 0 – 4,3 4,3 – 6,67 Линия солидуса 0 – 2,14 2,14 – 6,67
Линия ликвидус (начало затвердевания аустенита). Линия ликвидус (начало затвердевания первичного цементита) Конец затвердевания аустенита Линия эвтектического равновесия
29
Продолжение табл. 4 Индекс линий SE
Температурный интервал, °С
Интервал концентра- Основная характеристика линии ций (% углерода)
Линии превращения в твердом состоянии 0,8 – 2,14 Линия ограниченной раствори727° – 1147° мости углерода в аустените. Начало выделения вторичного цементита.
GS
911° – 727°
0 – 0,8
Начало аллотропического превращения аустенита в феррит
GP
911° – 727°
0 – 0,025
Конец аллотропического превращения (аустенита в феррит)
PSK
727°
0 ,025 – 6,67
Линия эвтектоидного равновесия аустенита, феррита, цементита
PQ
727° – комн.
0,025 – 0,006
Линия выделения третичного цементита
Концентрация углерода в характерных точках диаграммы приводится в табл.5. Таблица 5 Характеристики точек диаграммы Индекс точки
Температура, °С
Содержание углерода, %
А
1539
0
С
1147
4,3
Состав жидкой фазы при эвтектическом равновесии с аустенитом и цементитом
Е
1147
2,14
Предельное содержание углерода в аустените. Состав аустенита при эвтектическом равновесии с жидкой фазой и цементитом
S
727
0,8
Состав аустенита при эвтектоидном равновесии с ферритом и цементитом
Р
727
0,025
Предельное содержание углерода в феррите. Состав феррита при эвтектоидном равновесии с аустенитом и цементитом
Q
Комнатная
0,006
Предельное содержание углерода в феррите при комнатной температуре
30
Характеристика Точка затвердевания жидкого железа
2.1.4. Горизонтальные линии диаграммы В системе железо-цементит имеет место безвариантное трехфазное равновесие: при эвтектическом метастабильном (1147 °С) равновесии, при метастабильном (727 °С) эвтектоидном равновесии. В табл.6 приведены линии трехфазного равновесия. Таблица 6 Линии трехфазного равновесия Индекс линии
Температура равновесия, °С
ECF
1147
РSK
727
Фазы, находящиеся в равновесии Ж+А+Ц
Название щения
А+Ф+Ц
превра- Взаимодействие фаз
эвтектическое
Жс↔А E +Ц (ледебурит)
эвтектоидное
A S ↔ Ф P +Ц (перлит)
2.1.5.Кристаллизация и формирование структуры сплавов Сталями называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %. Сплавы с большим содержанием углерода (2,14 до 6,67 %) называются чугунами. Границей между сталями и чугунами принято считать проекцию точки Е, т.е. точки максимального насыщения аустенита углеродом, от которой начинается линия эвтектического равновесия. В результате первичной кристаллизации стали образуется аустенит (линия АЕ). В отличии от сталей структура чугуна характеризуется наличием эвтектики, которая состоит из аустенита и цементита. Первичная кристаллизация стали. На рис. 17 показан верхний участок упрощенной диаграммы Fe-Fe3C. o
I
o
t C
t C Ж
А
Ж
1 1'
1
Ж
а)
2 Е
% C
А
2'
Ж+А 2 Аустенит
t1_ t 2
C
τ, c
2,14
б)
Рис. 17. Верхний левый участок упрощенной диаграммы состояния железо-цементит. а) Первичная кристаллизация сплавов до 2,14 %С (сталей); б) кривая охлаждения сплава 1
31
В сталях из жидкой фазы кристаллизуется аустенит. Состав жидкой фазы меняется по проекции линии АС на ось концентраций, твердой фазы по проекции линии АЕ. Превращения в твердом состоянии. Окончательное формирование структуры стали происходит в результате превращений аустенита при дальнейшем охлаждении. Основой этого превращения является полиморфизм, связанный с перегруппировкой атомов из ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита, а также изменение растворимости углерода по линии ES в аустените и PQ в феррите. В сплавах с содержанием от 0,025 до 2,14 %С вторичные превращения начинаются при температурах, соответствующих линиям GS и SE и заканчиваются при температуре ниже 727 °С и линии PSK, в результате эвтектоидной реакции. Сплавы с содержанием углерода менее 0,025 % не испытывают эвтектоидного превращения. Критические точки аустенит → феррит превращения (линия GS) в доэвтектоидных сталях обозначаются так же, как аллотропическое превращение в чистом железе, с индексом А3, т.е. при нагреве Ас3,т.е. при охлаждении Аr3. Выделение цементита из аустенита в заэвтектоидной стали (линия SE) обозначается индексом Аcm. При температуре 727 °С (линия PSK) критические точки обозначаются индексом А1; при нагреве Аc1; при охлаждении Аr1. Распад аустенита при эвтектоидном превращении по метастабильной системе проходит с образованием феррита и цементита при переохлаждении ниже 727 °С. (21) А 0,8 →Ф 0.02 +Ц (Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом). Рассмотрим структурообразование нескольких групп сплавов. На рис. 18 приведена левая нижняя часть диаграммы состояния железо-цементит с кривыми охлаждения типичных сплавов и микроструктурой. Сплавы, содержание углерода в которых не превышает 0,006 %С (на примере сплава 1). До температуры несколько ниже t3 (линия GS) аустенит охлаждается без изменения состава. В интервале t3 – t4 происходит полиморфное А→Ф превращение. На стыках и границах зерен аустенита возникают зародыши феррита, которые растут и развиваются за счет атомов аустенитной фазы. Ниже температуры t4 сплав состоит из однородного α-твердого раствора – феррита. При дальнейшем охлаждении никаких превращений не происходит (Рис. 18б). Сплавы с содержанием углерода от 0,006 до 0,025 % (сплав П рис. 18в). Так же как и в предыдущем сплаве в интервале температур t5 – t6 происходит полиморфное А→Ф превращение. Ниже t6 в сплаве имеется ферритная фаза. Однако ниже температуры t7 изменение состава феррита, согласно предельной растворимости углерода в феррите по линии РQ, приводит к образованию более высокоуглеродистой фазы – цементита. Этот цементит называется третичным. Как правило третичный цементит располагается по границам 32
t,oC G 3' 5'
I
II
3
4
III
t,oC
IV
I
V
3
A
5 10
4' 8' 6
9
P
Ф 7
Ф+Ц
А+Ц
6'
П
II
727 oC 11
S
Fe + П
Ф3'- 4
4
8 Ф+А
t3 - t 4
А 3 - 4'
П+Ц
II
Ф
III
Fe Q
τ, c
%С
б)
а) II
t,oC
t,oC
5
t5 - t 6
А 5 - 6'
III
8
Ф5'- 6
t8 - t S
А8 - S
Ф 8'-P o
727 C
6
АS
Ф
Ц III
S 7
t7 - t комн.
Ф7 - Q
S'
Ф P+Ц Перлит
Ц III П
Ф Ф τ, c
в) t,oC
IV
V
t,oC 10
t10 - t S
А10 - S
o А S 727 C Ф P+Ц
S'
S
Перлит
Ц
o А S 727 C Ф P+Ц
S'
S
Перлит
Ц II
П
д)
τ, c
г)
τ, c
е)
τ, c
Рис. 18 Левый нижний участок диаграммы состояния железо-цементит. Вторичная кристаллизация сплавов: а) диаграмма, б), в), г), д), е) кривые охлаждения сплавов
33
ферритных зерен (рис. 18в). Максимальное количество третичного цементита составляет около 0,3 %. Несмотря на такое малое количество, расположение его вокруг зерен феррита в виде хрупких оболочек сообщает малоуглеродистому сплаву низкие пластические свойства, т.е. приводит к его охрупчиванию. Во избежании этого проводится специальная термическая обработка – старение, в результате которой третичный цементит выделяется в виде дисперсных частиц, равномерно распределенных по всему зерну. Сталь эвтектоидного состава – содержание углерода 0,8 % (рис.18, сплав Ш). В этом случае при охлаждении аустенита имеется только одна критическая точка Аs, отвечающая температуре 727 °С. При этой температуре аустенит находится в равновесии с ферритом и цементитом: Аs 727 → Фp + Ц (22) Эвтектоидный распад аустенита состава точки S (0,8 %С) на феррит состава точки Р (0,025 %С) и цементит происходит при некотором переохлаждении, т.е. ниже 727 °С. Эвтектоидная смесь феррита с цементитом называется перлитом. Соотношение феррита и цементита в перлите составляет примерно 7,3 : 1. Подсчет ведется по правилу рычага, несколько ниже эвтектоидной линии: 6,67 − 0,8 7,3 кол - во феррита (23) = . = кол - во цементита 0,8 − 0,025 1 Доэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % называются доэвтектоидными сталями. Рассмотрим фазовые и структурные изменения доэвтектоидной стали на примере сплава Ш (рис. 18г). В интервале температур t8–727°C идет полиморфное превращение А→Ф. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита – по линии GP. При 727 °С концентрация углерода в аустените равна 0,8 % (точка S) и в феррите – 0,025 % (точка Р). Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т.е. имеется нонвариантное равновесие, то процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом. Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот, чем меньше углерода, тем больше феррита и меньше перлита. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется
34
третичный цементит. Однако в структуре обнаружить его при наличии перлита невозможно. Заэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % называются заэвтектоидными. Процессы структурообразования рассмотрим на примере сплава V. До температуры t10 (линия ES) аустенит охлаждается без изменения состава. Несколько ниже этой температуры аустенит достигает предельного насыщения углеродом согласно линии растворимости углерода в аустените ЕS. В интервале температур t10 − 727 °C из пересыщенного аустенита выделяется высокоуглеродистая фаза – цементит, который называется вторичным. Состав аустенита меняется по линии ЕS и при температуре 727 °С достигает точки S (0,8 %С). Максимальное количество вторичного цементита: % Цвторичн.= (2,14 −0,8)×15≅18 (24) Ниже 727 °С происходит эвтектоидное превращение: аустенит состава точки S (0,8 %С) распадается на смесь феррита состава точки Р (0,025 %С) и цементита. Таким образом, структура заэвтектоидной стали характеризуется зернами перлита и вторичного цементита. В реальной стали с 1,2 %С (У12) количество вторичного цементита составляет всего около 6 %. % Цвторичн. = (1,2 − 0,8)×15 = 6 (25) При медленном охлаждении цементит, как правило располагается в виде тонкой оболочки. В разрезе это выглядит как сетка цементита. Более благоприятной формой цементита является зернистая, она не приводит к значительному снижению пластических свойств стали. Чугуны. Все превращения в белых чугунах, начиная от затвердевания и до комнатных температур, полностью проходят по метастабильной диаграмме Fe-Fe3C. Наличие цементита придает излому светлый блестящий цвет, что привело к термину “белый чугун”. Независимо от состава сплава обязательной структурной составляющей белого чугуна является цементитная эвтектика (ледебурит). На рис. 19 изображена структурная диаграмма равновесия железо-цементит и кривые охлаждения типичных сплавов. Эвтектический белый чугун. Рассмотрим процессы затвердевания, формирования первичной структуры и дальнейших структурных превращений в твердом состоянии сплава эвтектического состава с 4,3 %С (сплав 1 рис. 19). Затвердевание происходит в один этап при температуре ниже 1147 °С. Жидкая фаза с 4,3 %С образует эвтектическую структуру: смесь аустенита с 2,14 %С и цементита. Эта эвтектика называется ледебуритом. Как и всякая эвтектическая реакция, отвечающая нонвариантному (безвариантному) равновесию протекает при постоянной температуре и постоянном составе фаз. При эвтектической реакции ниже (1147 °С) содержание углерода в аустените максимально (2,14 %). Дальнейшее охлаждение от температуры 1147 °С до 727 °С приводит к непрерывному уменьшению в нем углерода согласно линии ограниченной растворимости ЕS. Углерод выделяется из аустенита в ви35
де цементита, который называется вторичным цементитом (Цвторичн.). Однако он, как правило, не обнаруживается, т.к. присоединяется к эвтектическому цементиту. Ниже температуры 727 °С аустенит эвтектики состава (0,8 %С) o
C→ Ф 0,025 + Ц 6,67 , т.е. претерпевает эвтектоидное превращение А 0,8 727 образуется перлит. o
o
t, C
Ж
A
II
E
P
Ф+Ц II
S
o
o 5 1147 C
C
2 Л+Ц II+А
Ф+А
Ж
Ц I +Ж
А+Ж
A
I
4'
4
I 1
1'
G
III
t, C
D
Жc
F
1147 C
AE
Л+Ц I
Л
Аs
K
П Л превр. П+Ц II Л превр.+Ц II Л превр.+Ц II+П Ф+П Fe 0,02 0,8 2,14 4,3 6,67 %C
Ж 1-С 2
П
ЦI
t 4- t 5
Ж4 - С
А 1'-E
ЦI o
Жc 5
1147 C
5' АE
ЦI
АЕ +Ц I Л tс - t S A S+Ц
727 C
Ф р+Ц
Аs
П Л превращенный
в)
τ, c
II
o
o
Аs
Ф р+Ц
III
Ж 4
1447 oC АЕ +Ц Жс 2' Л t2 - t 3 А S+Ц II АE
727 C
б)
o
Ж 1
II
τ, c
t, C
II t1 - t 2
А S +Ц
Л превращенный
а) o
t c- t S
o
o 6 727 C
3
t, C
АЕ +Ц
6
727 C
Ф р+Ц
6'
П
Л превращенный
г)
τ, c
Рис.19. Диаграмма состояния “железо-цементит” (структурная) и кристаллизация белых чугунов. а) – диаграмма, б), в), г) – кривые охлаждения сплавов со схемами микроструктур при нормальной температуре
Таким образом, ниже 727 °С ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. Такой ледебурит называется превращенным. При охлаждении до комнатной температуры в результате изменения растворимости углерода в феррите (линия РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре он
36
не обнаруживается. На рис. 19б показана структура белого чугуна эвтектического состава. Она представляет собой одну эвтектику – ледебурит. Темные участки (зернышки и пластинки) отвечают перлитным включениям, равномерно распределенным на светлом фоне цементита. Доэвтектические белые чугуны. Железоуглеродистые сплавы состава 2,14 – 4.3 %С называются доэвтектическими белыми чугунами. Рассмотрим процесс кристаллизации и вторичных превращений на примере сплава П рис.19. От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147 °С из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией. Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147 °С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита – точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита – ледебурит 1147 °С. Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727 °С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (Цвторичн.). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую. Ниже 727 °С весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики – претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура доэвтектического белого чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным. Структура реального доэвтектического белого чугуна изображена на рис. 19в. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики – ледебурита. Заэвтектический белый чугун. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % (сплав Ш) называются заэвтектическими белыми чугунами. Кристаллизация начинается при температуре t4 несколько ниже линии СD выпадением цементита, который называется цементитом первичным (Цпервичн.). Состав жидкой фазы меняется по линии СD, твердая – остается без изменения. При температуре 1147 °С заканчивается кристаллизация избыточных кристаллов Цпервичн.. Жидкость состава точки С (4,3 %С) согласно эвтектической реакции образует ледебурит. При дальнейшем охлаждении изменение состава аустенита по линии ЕS приводит к выделению цементита вторичного (Цвторичнн.), который присоединяется к эвтектическому. 37
Температура 727 °С является температурой эвтектоидного равновесия аустенита, феррита и цементита. Ниже этой температуры аустенит превращается в перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура заэвтектического белого чугуна характеризуется избыточными кристаллами цементита первичного (белые пластины) и превращенным ледебуритом, состоящим из темных полосок или зернышек перлита и светлой основы – цементита. На рис. 19г изображена кривая охлаждения и структура белого заэвтектического чугуна. 2.2. Компьютерная поддержка выполнения индивидуального задания Для самоподготовки по теме "Диаграмма состояния системы железоцементит" разработана программа Stract.exe. Программа состоит из разделов: Обучение; Самоконтроль; Контроль, Помощь и Структура. Раздел Обучение содержит упрощенную структурную диаграмму (без перитектического превращения), кривые охлаждения сплавов, принадлежащих разным структурным классам, схемы микроструктур и фотографии микроструктур сплавов при комнатной температуре и краткий пояснительный текст. Раздел Самоконтроль – позволяет ответить на контрольные вопросы, пользуясь структурной диаграммой и таблицей образцов ответов. Результаты ответов комментируются. Раздел Контроль предлагает ответить на 10 вопросов. 22 вариантов вопросов примерно одинаковой трудности составлены преподавателем и выводятся на дисплей выборочно. Результаты ответов оцениваются по пятибальной системе. Раздел Помощь содержит терминологический справочник основных понятий. Раздел Структура содержит схемы и фотографии микроструктур и их описание. Результаты контроля записываются в отдельный текстовый файл доступный оператору и преподавателю. Программа Stract.exe доступна каждому курсанту и может быть скопирована на дискеты для использования ими при непосредственной работе на компьютере. Для получения копии необходимо обратиться к оператору кафедры "Технология материалов" Программа может быть переслана по локальной сети ДВГМА на компьютер пользователя. Адрес кафедры в сети – //Seagete.8080/intranet/div/dep/tm/. На первой странице в главном меню выбрать гиперссылку Resors и скопировать файл Stract.exe. Ниже прилагается инструкция пользователя программой, которая составлена исходя из предположения, что программа установлена уже на компьютере, а пользователь знаком с приемами работы на нем.
38
2.2.1. Инструкция пользователя программа Stract.exe Для работы с программой необходимо с помощью стандартный операций Norton commander для DOS или Мой компьютер для Windows95 загрузить исполнимый файл Stract.exe. На дисплее появится название программы и сообщение
для перехода к следующему фрагменту. В нем предлагается сообщить данные о пользователе: Сообщите Вашу фамилию, Сообщите Ваши инициалы, Номер группы. Все сведения вводите последовательно и построчно. Например: Иванов <Enter> И.И. <Enter> 211 <Enter> Если при вводе данных допущена ошибка, то для исправления необходимо нажать функциональную клавишу F2 и внести необходимые исправления. После вывода общих сведений о программе на дисплей выводится меню с вариантами режимов работы: 1 Exit 2 Режим обучения 3 Режим контроля 4 Самоконтроль 5 Помощь 6 Структура Выбор режима работы осуществляется клавишами ↑, ↓ и нажатием клавиши <Enter>. При ответе на контрольные вопросы необходимо установить о какой концентрационно-температурной области диаграммы идет речь и набрать ответ в соответствии с примерами ответов, приведенными в таблице справа. Если возникли затруднения в ответах на вопросы, то необходимо повторить работу в режиме Помощь и Структура. Меню Помощь содержит справочные данные о 8 понятиях: x Exit p Полиморфизм k Компонент f Фаза t Структура o Эвтектоид i Эвтектика s Солидус l Ликвидус 39
Меню Структура включает фотографии и схемы 4 структур: x Exit f Феррит p Перлит l Ледебурит c Цементит Режим Контроль аналогичен режиму Самоконтроль, но не содержит структурной диаграммы с обозначениями. Ответы на вопросы необходимо вводить по образцу приведенному справа. Каждая структурная составляющая обозначается первой заглавной буквой: феррит – Ф, перлит – П. и т.п. Цементит в зависимости от происхождения: Ц(первичный), Ц(вторичный) и Ц(третичный). Если необходимо назвать область, содержащую несколько структурных составляющих, то возможны варианты ответа. Например: П+Ц(вторичный) или Ц(вторичный)+П. Оба варианта будут восприняты программой как правильные. После ответа на вопрос и нажатия клавиши <Enter> справа внизу появляется окно с текстом, сообщающем о результате ответа. При неверном ответе предлагается ответить вторично на тот же вопрос. Процесс режима Контроль сопровождается сообщениями. После ответа на 10 вопросов выводятся результаты опроса с результирующей оценкой. Протокол режима Контроль при включенном принтере будет автоматически распечатан. 2.3. Индивидуальное задание № 2 2.3.1. Варианты задания В таблице 7 приведены исходные данные для выполнения второго индивидуального задания, указана массовая доля углерода (колонка 2 табл.). Таблица 7 Варианты заданных сплавов № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
40
% углерода (по массе) 5,0 4,3 1,0 3,0 0,8 0,4 1,3 2,2 5,5 0,012
№ варианта 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
% углерода (по массе) 0,1 3,5 0,9 0.022 0.018 2,0 2,8 0.35 0,7 1,8
№ варианта 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
% углерода (по массе) 4.5 0,6 0,25 1,1 4,7 0,5 1,2 0,9 0,05 0,045
2.3.2. Порядок выполнения задания 1. В соответствии с номером Вашего варианта выписать из табл. 7 массовую долю углерода контрольного сплава. 2. На листе формата А4 вычертить диаграмму состояния Fe-Fe3C. Обозначить структурные составляющие во всех областях диаграммы. 3. Нанести на диаграмму фигуративную линию контрольного сплава, выполнить построение необходимых конод. 4. Построить кривую охлаждения контрольного сплава. Дать подробное описание его микроструктуры при медленном охлаждении. Привести необходимые реакции. 5. Указать к какой группе железоуглеродистых сплавов он относится, по возможности привести марку рассмотренного сплава, его применение. 6. Схематически изобразить микроструктуру сплава в интервале температур первичной кристаллизации и при комнатной температуре. На рисунке отметить структурные составляющие. Отчет по индивидуальному заданию выполняется по установленной форме. Защита задания поводится на 9 неделе в часы консультаций. 2.3.3. Контрольные вопросы для защиты задания 1. Какое превращение происходит в железоуглеродистых сплавах при температуре 1147 °С? 2. Какое превращение происходит в железоуглеродистых сплавах при температуре 727 °С? 3. Какой фазовый состав имеют стали по завершению процесса первичной кристаллизации? 4. Какой фазовый состав имеют стали при комнатной температуре? 5. Чем отличается ледебурит от ледебурита превращенного? 6. Чем отличаются структурные составляющие “цементит первичный”, “цементит вторичный”, “цементит третичный”? 7. Назовите все характерные точки диаграммы и их общепринятые международные обозначения. 8. Каким образом отличаются обозначения критических точек при нагреве и охлаждении? 9. Назовите стабильную и метастабильную модификации углерода. 10. Назовите характеристики точек и линий диаграммы. 11. Что называют перлитом? 12. Что называют ледебуритом? 13. Что называют аустенитом? 14. Что называют ферритом? 15. Чем отличаются превращения в твердом состоянии у доэвтектоидной и заэвтектоидной стали? 41
16. Какая фаза первично кристаллизуется в заэвтектических белых чугунах? 17. Изобразите фазовую диаграмму железо-цементит. 18. Как называется чугун в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида? 19. Какая фаза первично кристаллизуется в доэвтектических белых чугунах? 20. Какой сплав называют техническим железом? 2.4. Информационно-справочные данные Аллотропия (allotropy) – свойство некоторых химических элементов существовать в виде двух или более простых веществ, различных по своему строению и свойствам. Аустенит (austenite) – фаза, структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – твердый раствор углерода в γ-железе. Графит (graphite) – аллотропическая модификация углерода с гексагональной кристаллической решеткой. Железо (iron) – химический элемент, Fe, с атомной массой 55,84; относится к группе черных металлов, tпл 1539 °С; важнейший металл современной техники, основа сплавов примерно 95 % металлической продукции. α-железо – низкотемпературная аллотропическая модификация железа с о.ц.к. решеткой, существующая в чистом железе в интервале температур от 0 до 1184 К. γ-железо – высокотемпературная аллотропическая модификация железа с г.ц.к. решеткой, существующая в чистом железе в интервале температур от 1184 до 1665 К. δ -железо высокотемпературная аллотропическая модификация железа с о.ц.к. решеткой, существующая в чистом железе в интервале температур от 1665 К до плавления. Ледебурит (ledeburite) – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов (главным образом чугунов) – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся из расплава при температуре ниже 1147 °С. Перлит (pearlite) – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – эвтектоидная смесь феррита и цементита, имеющая межпластиночное расстояние более 0,3 мкм. Полиморфизм (polymorphism) – свойство некоторых веществ существовать в нескольких кристаллических состояниях с разной структурой. Сталь (steel) – сплав железа с углеродом, содержащий от 0,025 до 2,14 % углерода, а также ряд других элементов. Высококачественная сталь (extrafine steel) – сталь с низким содержанием вредных примесей (обычно фосфора не более 0,025 % и серы не более 0,025 %), обладающая повышенными механическими свойствами. Высокоуглеродистая сталь (high-carbon steel) – сталь содержащая более 0,6 % углерода.
42
Углеродистая сталь (carbon steel) – сталь, не содержащая специально введенных легирующих элементов. Углерод (carbon) – химический элемент, С, с атомной массой 12; имеет две аллотропические модификации. Входит в состав стали и чугуна. Феррит (ferrite) – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – твердый раствор углерода (до 0,025 %) в α-железе. Цементит (cementite) – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – карбид железа, Fe3C, содержащий 6,67 % С. Вторичный цементит (secondary cementite) – цементит, образующийся из аустенита при охлаждении вследствие понижения растворимости в нем углерода. Первичный цементит (primary cementite) – цементит, образующийся в заэвтектических чугунах при кристаллизации их из расплава. Критическая точка (температура) (critical (thermal) point) – температура начала или конца фазового превращения в сплаве; может быть определена из диаграммы состояния элементов, входящих в состав сплава. Критическая точка А1 – температура в равновесной системе Fe – Fe3C, при которой протекает превращение перлит ↔аустенит. Критическая точка А2 – температура соответствующая точке Кюри феррита. Критическая точка А3 – температура, в равновесной системе Fe – Fe3C, выше которой в доэвтектоидных сталях присутствует одна фаза – аустенит. Критическая точка Ас – температура в равновесной системе Fe – Fe3C, при которой фазовое превращение протекает в процессе нагрева. Критическая точка Аcm – температура в равновесной системе Fe – Fe3C, выше которой в заэвтектоидных сталях присутствует одна фаза – аустенит. Критическая точка Аr – температура в равновесной системе Fe – Fe3C, при которой фазовое превращение протекает в процессе охлаждения. Третичный цементит (tertiary cementite) – цементит, образующийся из феррита при охлаждении вследствие понижения растворимости в нем углерода. Чугун (cast iron) – сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % углерода, постоянные примеси, а иногда и легирующие элементы. Белый чугун (white cast iron) – чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита; имеет матово-белый цвет излома. Доэвтектический чугун (hypoeutectic cast iron) – ч., углеродный эквивалент которого ниже 4,3 %. Заэвтектический чугун (hypereutectic cast iron) – ч., углеродный эквивалент которого выше 4,3 %. Эвтектический чугун (eutectic cast iron) – чугун, углеродный эквивалент которого составляет 4,3 %.
43
Глава 3 ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ 3.1. Теоретические сведения Термическую обработку стали можно определить как процесс теплового воздействия на сталь, направленный на изменение ее структуры и свойств. Научные основы термической обработки были заложены великим русским металлургом Д.К. Черновым, открывшим в 1868 г. структурные превращения в стали. Режимы термической обработки стали связаны с критическими точками. Температуру, соответствующую линии PК на диаграмме состояния Fe-Fe3C, обозначают точкой А1. Температуры, соответствующие линии GS, обозначают точкой А3, а линии SE – точкой Аm. Из-за теплового гистерезиса превращения при нагреве стали начинаются при температурах выше точек А1, А3, Аm, а при охлаждении – ниже этих точек. Для обозначения температур превращения при нагревании у буквы А внизу ставят индекс с, а при охлаждении r (например, Аc1, Асm, Аr1). Структура термически обработанной стали данного состава, а следовательно и ее свойства, определяется тремя основными факторами – температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения. Термическую обработку можно разделить на несколько основных видов, исходя из сущности происходящих в металле процессов. Такими основными видами являются: отжиг, закалка и отпуск. Во всех процессах на сплав оказывается только тепловое воздействие. Рассмотрим на примере эвтектоидной и доэвтектоидной стали структуры, которые получаются при отжиге, закалке, отпуске и химико-термической обработке. 3.1.1. Отжиг Различают отжиг первого и второго рода. Отжиг первого рода имеет целью снятие напряжений, осуществление рекристаллизации и гомогенизации. Применительно к углеродистым сталям отжиг для снятия напряжений производится при 400 – 600 °С. Рекристаллизационный отжиг осуществляется при 680 – 700 °С, т.е. ниже превращения Аc1. Гомогенизационный отжиг для устранения дендритной ликвации в литой стали производится в аустенитной области при температуре 1100 – 1200 °С в течение 10 – 20 ч. За это время в металле может заметно вырасти аустенитное зерно, что приводит к пониженным механическим свойствам. Поэтому после гомогенизационного отжига сталь всегда подвергают отжигу второго рода – фазовой перекристаллизации с целью измельчения аустенитного зерна. 44
Для отжига с полной фазовой перекристаллизацией стали (отжига второго рода) необходимо выполнить два условия. Во-первых, необходимо нагреть сталь до такой температуры, при которой она находится в аустенитном состоянии, и выдержать при этой температуре до полной аустенизации. Из-за очень сильного развитой поверхности кристаллов феррита и цементита количество зародышей аустенита столь велико, что сразу же по окончании фазового превращения выше Аc3 сталь имеет мелкозернистое строение. Однако зерна аустенита могут быстро укрупняться. Одна из причин этого заключается в том, что превращение феррит – аустенит происходит с уменьшением объема на 1 %, которое вызывает пластическую деформацию. Пластическая деформация обуславливает рост зерна в твердом металле. Температура нагрева должна быть выше точки Ас3 для доэвтектоидной стали и выше Асm для заэвтектоидной. Во-вторых, необходимо охладить сталь с относительно небольшой скоростью, чтобы произошло фазовое превращение с образованием из аустенита феррито-цементитной смеси. Для обсуждения явлений, происходящих в структуре сталей при отжиге второго рода и при закалке, необходимо обратиться к диаграмме изотермического распада аустенита. На рис. 20 изображена такая диаграмма для эвтектоидной стали с 0,8 %С. На этом рисунке кривая Н показывает начало распада аустенита, кривая К – его конец. По диаграмме ниже 727 °С слева от кривой Н структура стали состоит из переохлажденного аустенита Ап. Выдержка переохлажденного аустенита при температурах от 700 до 450 °С приводит к обычному распаду на эвтектоидную смесь феррита и цементита. Эвтекоидная смесь феррита с цементитом растет в виде колоний из отдельных центров в аустенитных зернах. Чем больше скорость охлаждения стали, тем сильнее переохлаждается аустенит ниже 727 °С и более тонкое внутреннее строение имеют колонии эвтектоидной смеси. В зависимости от дисперсности пластинчатой феррито-цементитной смеси различают перлит, сорбит и троостит. Перлит образуется при небольших степенях переохладения аустенита (охлаждение с печью со скоростью в несколько градусов в минуту), и двухфазное строение его колоний хорошо видно при увеличении 300. Твердость перлита 200 – 250 НВ. Сорбит образуется при несколько больших степенях переохлаждения аустенита (охлаждение на воздухе со скоростью в несколько десятков градусов в минуту). Поэтому он более дисперсен и его внутреннее строение можно различить при большем увеличении. Сорбит обладает твердостью 300 НВ. Троостит (400 НВ) образуется при еще больших степенях переохлаждения аустенита (охлаждение в масле со скоростью в несколько десятков градусов в секунду). Изучение троостита под электронным микроскопом показывает, что он отличается от перлита и сорбита только меньшей толщиной пластинок цементита. Благодаря большей дисперсности, троостит сильно растравливается, и в световой микроскоп виден сплошной темный фон шлифа. 45
t, oC 800
A
727
H K
Aп
2
600 А
1
3
А+Ф+К
Ф+К
400 7
230 200
H
MH
4
5
6
K
M+A ост
0 -80
MK M
-200 1
10
10 2
103
τ, c
Рис. 20. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали ( 0,8 %С )
На использовании фазовой перекристааллизации основаны разные виды отжига. Из них наиболее важен полный отжиг и нормализационный отжиг. Цель отжигов состоит в повышении пластических свойств металла и улучшении обрабатываемости резанием. Полному отжигу обычно подвергают доэвтектоидные стали, при этом нагрев ведут выше Ас3 на 30 – 50 °С, выдерживают и медленно, обычно вместе с печью охлаждают. В результате полного отжига в структуре стали появляется перлит. Неполный отжиг применяется для заэвтектоидной стали, нагрев при этом ведут выше Ас1, но ниже Аcm. При этих температурах в структуре исчезает феррит и вместо него появляется аустенит, но сохраняется вторичный цементит. Во время выдержки при указанных температурах происходит сфероидизация пластинчатых выделений цементита. Обычно после отжига второго рода сталь охлаждают медленно с печью (скорость охлаждения 30 град/ч). Если после нагрева выше Ас3 или Аcm сталь 46
охладить на спокойном воздухе (скорость охлаждения 1,6 град/ч), то появляющийся перлит приобретает более тонкое строение, чем после охлаждения с печью. Это приводит к повышению прочности и пластичности стали. Данная разновидность термообработки называется нормализацией. При полном отжиге доэвтектоидной стали из аустенита выделяется весь избыточный феррит и образуется эвтектоид перлит. Увеличение скорости охлаждения доэвтектоидной стали с температуры выше Аc3 приводит не только к увеличению дисперсности эвтектоида, но и к изменению избыточных выделений феррита. При нормализации, а также при охлаждении в масле, избыточный феррит не успевает полностью структурно обособиться. Не успевший выделиться в виде самостоятельной структурной составляющей избыточный феррит входит в эвтектоид. Такой эвтектоид с повышенным содержанием феррита имеет меньше 0,8 %С, и поэтому он был назван квазиэвтектоидом. В зависимости от степени дисперсности, квазиэвтектоид в доэвтектоидной стали, так же как и эвтектоид в чисто эвтектоидной стали, называют сорбитом и трооститом. Чем больше скорость охлаждения, тем меньше успевает выделиться из аустенита структурно-свободного избыточного феррита. При достаточно быстром охлаждении выделение структурно свободного избыточного феррита может быть полностью подавлено, а вся масса доэвтектоидной стали в этом случае имеет квазиэвтектоидную структуру. Это лишний раз указывает на то, что содержание углерода можно оценивать по микроструктуре только для хорошо отожженных сталей, приведенных в равновесное состояние. Кроме скорости охлаждения, на структуру стали сильно влияет температура нагрева в аустенитной области. Чем выше температура нагрева, тем более крупным вырастает аустенитное зерно и тем крупнее получаются выделения избыточного феррита и колонии эвтектоида. Если при полном отжиге доэвтекторидную сталь сильно перегреть выше точки Аc3, то образуется характерная видманштеттова структура. Из крупных зерен аустенита образуются крупные колонии перлита, а избыточный феррит выделяется в виде ориентированных пластин. В сечении шлифа эти пластины представляют собой крупные иглы. При такой структуре сталь обладает пониженной ударной вязкостью. Поэтому при полном отжиге и нормализации температура нагрева стали не должна значительно превышать точку Ас3. Ради экономии времени и затрат энергии сталь подвергают изотермическому отжигу, который состоит в том, что сначала сталь переводят в аустенитное состояние, а затем быстро охлаждают до температур на 50 – 100 град ниже Аc1 и выдерживают здесь столько времени, чтобы завершился переход переохлажденного аустенита в перлит. После этого изделие охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг позволяет получать более однородные свойства в разных участках объема металла, так как превращение везде идет примерно с одинаковой скоростью, тогда как при нормализации 47
условия охлаждения на поверхности и в толще металла существенно различаются. Условия изотермического отжига изображены на рис. 20 линией 2. Если необходимо получать несколько большую твердость, чем при нормализации, и нежелательно проводить закалку с последующим отпуском, иногда применяют одинарную термообработку, которую называют также патентированием или сорбитизацией. При этом распад аустенита совершается при 500 – 550 °С в области изгиба С-кривых (кривая 3 на рис. 20). В результате этой разновидности термообработки эвтектоид в стали приобретает сорбитную структуру. Практически одинарная термообработка проводится путем погружения изделий в жидкий свинец, соль, обрызгиванием водой, обдувкой воздухом. Применяется она для рельсов и проволоки. 3.1.2. Закалка Феррит и цементит отличаются по химическому составу от исходного аустенита. Распад аустенита с образованием феррита и цементита – диффузионный процесс, связанный с перераспределением углерода, т.е. с диффузионным перемещением атомов на значительные расстояния, на много превышающие период решетки аустенита. При охлаждении углеродистой стали с достаточно большой скоростью, например в холодной воде (сотни градусов в секунду), аустенит настолько сильно переохлаждается ниже 727 °С, что не распадается на смесь двух стабильных фаз, т.к. подвижность атомов при сильном переохлаждении слишком мала. При больших переохлаждениях в условиях малой подвижности атомов происходит бездиффузионное полиморфное превращение γ→α: аустенит раствор внедрения углерода в γ-Fe с ГЦК решеткой превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-Fe. Мартенсит – совершенно новая, метастабильная фаза. Он появляется в переохлажденном аустените при 230 °С. Это отражено на диаграмме (рис. 20) горизонтальной линией (Мн). Растворимость углерода в α-Fe при комнатной температуре в равновесных условиях мала. В мартенсите же сохраняются все то количество углерода, которое было в исходном аустените. Поэтому мартенсит является метастабильным пересыщенным раствором углерода в α-Fe. Избыточные атомы углерода делают ОЦК решетку тетрагональной. Для полной закалки доэвтектоидную углеродистую сталь необходимо нагреть выше линии GS, выдержать до завершения аустенизации и охладить в воде. После такой обработки структура закаленной стали будет состоять из мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита. Мартенсит имеет больший объем, чем исходный аустенит, из-за чего непревращенный аустенит испытывает сильное сжатие, а пластины мартенсита располагаются по определенным кристаллографическим плоскостям. На шлифах пластины мартенсита выглядят как иглы, часто расположенные под углом 60 и 120° друг к другу. Начавшееся при 230 °С мартенситное превра48
щение идет дальше только по мере снижения температуры. Появление новых количеств мартенсита продолжается до –80 °С. При этой температуре в структуре остается несколько процентов аустенита (Аост.). Температура – 80 °С считается концом мартенситного превращения, и на диаграмме это отражено горизонтальной линией, (Мк). Мартенсит резко отличается по свойствам от аустенита. Он ферромагнитен и очень тверд – твердость по Роквеллу HRC 65. Чем выше температура нагрева под закалку, тем крупнее вырастает аустенитное зерно и тем крупнее образуются в нем пластины мартенсита. В правильно закаленной стали мартенсит не имеет под микроскопом типичного игольчатого строения и называется «бесструктурным». Температура закалки доэвтектоидной стали не должна превышать точку Ас3 более чем на 30 – 50 °C. Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворенного в нем углерода – чем больше углерода, тем выше твердость. Закалка доэвтектоидной стали с температуры выше линии PS но ниже GS (рис. 21) называется неполной. В этом случае при температуре закалки в стали, кроме аустенита, находится также избыточный феррит. При закалке аустенит переходит в мартенсит, а феррит остается в виде мягких светлых включений на фоне мартенсита. Неполная закалка доэвтектоидной стали – это ,как правило, брак термической обработки. o
t, C G
E
А Am
A3
А+Ц S
Ф
P
П Ф+П
727 oC
AI
PS П+Ц
0,8
II
II
%C
2,14
Рис.21. Фрагмент диаграммы состояния “Fe - Fe3C”: заштрихован оптимальный интервал температур закалки
49
Если сталь при нагревании полностью переведена в аустенитное состояние, но охлаждена с недостаточно большой скоростью, то часть аустенита успевает претерпеть распад с образованием троостита, а остальная часть аустенита превращается в мартенсит. Получающуюся при этом структуру называют троостомартенситной. Заэвтектоидные стали нагревают выше Аcm с тем, чтобы сохранить в структуре твердые включения вторичного цементита, которые за время выдержки успевают приобрести округлую форму. Закалка очень часто производится в воду. Водные растворы едкого натра или поваренной соли обладают большей охлаждающей способностью. Разные сорта и марки стали имеют различную закаливаемость, т.е. способность воспринимать закалку. Закаливаемость оценивается по наибольшей твердости, получаемой в результате закалки. Как уже отмечалось, стали, содержащие менее 0,25 %С, не обладают закаливаемостью. С ростом содержания углерода закаливаемость быстро растет, достигает наибольшей величины при 0,8 %С и затем почти не меняется. Важнейшим свойством стали является прокаливаемость, которая определяется как глубина закаленного слоя в данных условиях охлаждения. Простейший вид закалки – закалка в одной среде (режим 4 рис. 20). Недостаток этого способа заключается в возникновении больших напряжений в изделии из-за высокой скорости охлаждения. Закалка в двух средах (режим 5 рис. 19) осуществляется путем погружения изделия вначале в воду, а затем в масло. Первоначальное охлаждение в воде позволяет быстро пройти область наименьшей устойчивости аустенита и достичь температур, при которых он более устойчив. Дальнейшее более замедленное охлаждение в масле позволяет несколько выровнять перепад температур по сечению изделия. При этом виде закалки требуется очень точно выбрать время смены закалочных сред. Ступенчатая закалка (режим 6 рис. 20) состоит в том, что нагретое изделие быстро помещают в среду, имеющую температуру 200 – 250 °С, т.е. на 30 – 50 град выше точки начала появления мартенсита, и выдерживают некоторое время для выравнивания температуры во всем объеме, однако не больше, чем необходимо для начала превращения аустенита в бейнит. Охлаждающей средой служат расплавы селитры и щелочей. Затем изделие извлекают из соляной ванны и охлаждают на воздухе, при этом происходит образование мартенсита. В начале охлаждения до образования мартенсита сталь сохраняет аустенитную структуру и поэтому возможна правка покоробившихся изделий. Способ ступенчатой закалки применим лишь для небольших по размеру изделий, так как во внутренних слоях, где охлаждение идет с меньшей скоростью, может произойти обычный распад аустенита с образованием троостита или сорбита. Изотермическая закалка осуществляется по режиму 7 на рис. 20. Ее также проводят в соляной ванне, имеющей температуру 250 – 300 °С. 50
Изотермическая закалка позволяет получать сталь с меньшей твердостью, чем после обычной закалки, но с большей вязкостью. Закалка с самоотпуском заключается в том, что изделие извлекают из охлаждающей среды прежде, чем температура в средних слоях достигла 400 – 500 °С. Наружные слои в это время успевают охладиться до 150 – 200 °С. В извлеченном из охлаждающей среды изделии за счет тепла центральных слоев наружные слои, где успел появиться мартенсит, прогреваются до 300 – 400 °С и в них происходит отпуск мартенсита. В результате изделие приобретает твердую корку с вязкой сердцевиной. Для закалки с самоотпуском решающее значение имеет определение температуры поверхности по цветам побежалости, появляющимся на чистой поверхность из-за возникновения слоя окислов разной толщины. Желтый цвет соответствует 220 – 240, оранжевый 240 – 260, красно-фиолетовый 260 –280, синий 280 – 300 °С. Поверхностная закалка проводится путем нагрева поверхностных слоев изделия на глубину 2 –3 мм и соответствующего охлаждения. Нагрев осуществляется в индукторе токами высокой частоты. Таким образом обрабатывают шейки стальных коленчатых валов, шестерни. Нагрев поверхности больших изделий ( прокатных валов, крупных валов) осуществляется с помощью газовых или керосиновых горелок. Поверхностная закалка позволяет получить структуру мартенсита в поверхностном слое до 2 – 4 мм. Структура свойства сердцевины изделия при этом не меняются, они определяются предварительной общей термообработкой всего изделия. Обработка холодом была предложена А.П. Гуляевым. По рис. 20 видно, что окончание мартенситного превращения происходит при –80 °С. Следовательно, при обычном охлаждении до комнатной температуры в структуре остается некоторое количество аустенита. Это значит, что не достигается наибольшее возможное значение твердости. Кроме того, остаточный аустенит с течением времени может постепенно превращаться в бейнит. Из-за этого возможно изменение размеров готовых изделий. Следовательно, для ответственных деталей прецизионного оборудования, шарикоподшипников, высокоточного мерительного инструмента и т.п. желательно наиболее полно перевести аустенит в мартенсит. Это достигается охлаждением до температуры Мк. Важно, чтобы охлаждение после обычной закалки происходило как можно быстрее, иначе сохранившийся аустенит становится устойчивым и не столь полно превращается в мартенсит. 3.1.3. Отпуск Вслед за закалкой стальные изделия обычно подвергают отпуску, поскольку в закаленном состоянии сталь слишком тверда и хрупка и находится в напряженном состоянии.. При отпуске закаленную на мартенсит сталь нагревают до температуры ниже 727 °С. Основное превращение при отпуске стали – распад мартенсита. 51
Выделение карбида из пересыщенного раствора и уменьшение концентрации углерода до равновесной концентрации в феррите происходит при нагревании закаленной стали до 400 °С. (При нагреве до 100 °С происходит собирание атомов углерода в отдельных участках решетки мартенсита. Затем в интервале 100 – 200 °С наблюдается образование промежуточного карбида железа, отличного от устойчивого карбида Fe3C. При 150 – 250 °С тетрагональная ячейка мартенсита становится кубической. Выше 200 °С начинается образование частиц Fe3C, которые затем постепенно укрупняются и сфероидизируются. Остаточный аустенит интенсивно распадается при 200 – 300 °С на феррит и промежуточные карбиды. После нагрева ниже 300 °С видимых изменений структуры не наблюдается. Отпуск при 300 – 450 °С приводит к исчезновению мартенсита и появлению игольчатого троостита, в котором полностью обособляются частицы цементита. Выше 400 °С наблюдается укрупнение частиц цементита. Карбид образуется в пределах исходных мартенситных игл. Поэтому микроструктура отпущенной стали сохраняет игольчатый характер и похожа на мартенсит. Этим двухфазная феррито-карбидная смесь, получающаяся при распаде мартенсита, отличается от феррито-цементитной смеси, образующийся при распаде переохлажденного аустенита. Нагрев до 500 – 600 °С приводит к образованию сорбита отпуска, в котором частицы цементита приобретают округлую форму и размер около 0,1 мкм. При нагреве до 650 – 700 °С возникает перлит отпуска с глобулярными частицами цементита размером около 0,5 мкм. Перечисленные изменения структуры сопровождаются соответствующими изменениями механических свойств. Структуру, получающуюся при отпуске стали ниже 300 °С, называют отпущенным мартенситом: она отличается от мартенсита закалки большей травимостью из-за дисперсных выделений карбида. После отпуска в интервале 300 – 450 °С обнаруживается особенно сильно травящаяся игольчатая структура, которую называют трооститом отпуска. Сильная травимость троостита отпуска обусловлена высокой дисперсностью этой двухфазной смеси. При отпуске в интервале 450 – 650 °С получается сорбит отпуска. Цементит в нем находится в виде сферических частиц (в отличие от пластинчатого цементита, образующегося при распаде переохлажденного аустенита при нормализации стали). Двухфазное строение сорбита отпуска отчетливо выявляется при небольших увеличениях. На практике применяют низкотемпературный, среднетемпературный и высокий отпуск. В зависимости от температуры различают: низкий отпуск ≈200 °С; средний отпуск ≈400 °С; высокий отпуск ≈600 °С. 52
Низкий отпуск иногда вызывает прирост твердости на HRC 1 – 2 в результате распада остаточного аустенита. Низкотемпературный отпуск применяют для инструментальных сталей, изделий после цементации и поверхностной закалки. Среднему отпуску подвергают пружинную и рессорную сталь и получают структуру троостита с твердостью HRC 40 – 45 при достаточной вязкости. При высоком отпуске при соответствующей выдержке в структуре образуется зернистый сорбит в отличие от пластинчатого сорбита, получаемого при нормализации. Стали со структурой зернистого сорбита имеют значительно большую ударную вязкость, чем стали с пластинчатым сорбитом. Поэтому высокий отпуск после закалки проводят для деталей, испытывающих при работе знакопеременные и ударные нагрузки. Закалку с высоким отпуском называют также улучшением. 3.2. Компьютерная поддержка выполнения задания Для выполнения домашнего задания по теме "Закалка углеродистой стали" разработана компьютерный тренажер-программа Termist.exe. Программа состоит из разделов: Презентация и регистрация пользователя; Выбор технологических параметров закалки; Выбор режима отпуска; Определение времени отпуска. Раздел Презентация и регистрация пользователя последовательно выводит на экран название программы краткое ее описание и запросы на ввод данных пользователя: фамилии, инициалов и номера группы. Если при вводе данных допущена ошибка, то для исправления необходимо нажать функциональную клавишу F2 и внести необходимые исправления. Для подтверждение ввода данных необходима нажать клавишу <Enter>. В разделе Выбор технологических параметров закалки на экран выводится формулы по которым определяется диапазон температур закалки и затем таблица в которой указаны марки углеродистый сталей, массовая доля углерода в % и температура закалки в °С для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали (табл. 8). В строке под таблицей сообщается марка стали для которой пользователь должен самостоятельно определить температуру закалки по выше указанным формулам. Ввод определенного значение осуществляется через клавиатуру. Если введенное не попадает в оптимальный диапазон, то дается запрос на повторный ввод. В разделе Выбор режима отпуска выводится окно с кратким описанием процесса и перечнем деталей, которые предлагаются для термической обработке. Затем задается деталь и через меню предлагается выбрать один из трех вариантов отпуска: низкий отпуск 150 – 250 °С. средний отпуск 350 – 450 °С. высокий отпуск 500 – 650 °С. 53
Если выбранный вариант отпуска для заданной детали выбран не верно, то выводится соответствующее сообщение и предлагается повторить выбор. В разделе Определение времени отпуска выводится окно с описанием технологии проведения отпуска и формулы по которой определяется общее время нахождения обрабатываемой детали в печи. Затем выводится таблица с данными о температуре печи, формы нагреваемого образца и продолжительности нагрева и выдержки детали на 1 мм ее размера или диаметра (табл. 10). Пользователю необходимо самостоятельно определить общее время нагрева и выдержки детали в печи и ввести это значение через клавиатуру. После прохождение через все разделы программы выводится сообщение о результатах работы. Данные записываются во внешний текстовый файл доступный для преподавателя для контроля. При повторном входе в программу автоматической выборкой задается другая марка стали и другая деталь. Программа Termist.exe поддерживается компьютерами с процессорами 286 и выше операционной системой DOS. Программа доступна каждому курсанту и может быть скопирована на дискеты для использования ими при непосредственной работе на компьютере. Для получения копии необходимо обратиться к оператору кафедры "Технология материалов" Программа может быть переслана по локальной сети ДВГМА на компьютер пользователя. Адрес кафедры в сети – http://seagate:8080/intranet/div/dep/tm/index.html. В главном меню Web-страницы выбрать гиперссылку Ресурсы и скопировать файл Termist.exe. на компьютер пользователя. Таблица 8 Температуры критических точек при нагреве сталей и их твердость после закалки Марка стали
Массовая доля углерода, %
Температура, °С Ac1
Ac3
Твердость правильно закаленной стали, HRC
Углеродистые конструкционные стали 20 25 30 35 40 45 50 55 60 60
0,17 - 0 24 0,22 - 0,30 0,27 - 0,35 0,32 - 0,40 0,37 - 0,45 0,42 - 0,50 0,47 - 0,55 0,52 - 0,60 0,57 - 0,65 0,57 - 0,65
735 735 732 730 730 725 725 727 727 727
854 840 813 810 800 780 770 774 766 766
34 - 40 42 - 48 48 - 51 54 - 60 60 - 62 60 - 62
Углеродистые инструментальные стали У7 У8 У13
54
-
730 730
720 -
62 - 64 63 - 65
Таблица 9 Температура закалки и твердость закаленных сталей Марка стали
Массовая доля углерода, %
Температура закалки, °С
Твердость HRC
20
0,17 - 0 24
900 - 920
35 - 40
25
0,22 - 0,30
890 - 910
40 - 42
30
0,27 - 0,35
870 - 890
43 - 45
35
0,32 - 0,40
850 - 870
46 - 48
40
0,37 - 0,45
840 - 860
52 - 54
45
0,42 - 0,50
830 - 850
56 - 58
50
0,47 - 0,55
820 - 840
58 - 60
55
0,52 - 0,60
810 - 830
60 - 62
60
0,57 - 0,65
800 - 820
62 - 64
65
0,62 - 0,70
780 - 800
63 - 64
Таблица 10 Продолжительность нагрева и выдержки при термической обработке Температура печи, °С
Форма нагреваемых образцов ∅, мм ¬,мм Продолжительность (мин) нагрева и выдержки на 1 мм размера d или a
900
1,3
1,8
800
1,5
2,0
700
0,7
0,9
600
0,9
1,1
500
1,0
1,2
400
1,1
1,3
300
1,3
1,6
200
1,5
1,8
Примечание: 1. Продолжительность нагрева до температур 200 – 700 °С указана без времени выдержки. 2. Ориентировочно время выдержки при температуре отпуска составляет 0,5 времени нагрева.
55
3.3. Индивидуальное задание № 3 Таблица 11 Варианты задания № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Марка материала детали У7 45 60 75 У12 40 50 У8 У13 45 40 55 35 45 У10
Вид детали шабер вал шестерня пружина резец ось молоток зубило напильник шатун шпонка шкив тормозной рычаг шпиндель станка надфиль
№ варианта 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Марка материала детали 70 30 35 40 У8А 40 55 50 У7А У10А У12А 60 30 50 У10
Вид детали рессора полуось распред. вал кулачная шайба кернер шатунный болт зубчатое колесо червячное колесо отвертка сверло плашка линейка к малке малка чертилка развертка
3.3.1. Порядок выполнения задания 1. Задать способ изготовления заготовки детали. (Заготовка литая, кованая, катаная и др. варианты). 2. Описать процесс термической обработки заготовки перед механической обработкой, с указанием температурных режимов, графиков термической обработки (в координатах температура-время) и изображением макро- и микроструктуры заготовки до и после предварительной термической обработки. 3. Описать процесс термической обработки заданной детали для придания ей оптимальных эксплуатационных свойств. 4. Представить график заключительной термической обработки и указать на нем температуры термической обработки и вид охлаждения. 5. Схематически изобразить микроструктуру детали на разных этапах термической обработки. 3.4. Контрольные вопросы 1. В каких координатах представляют графики термической обработки? 2. При какой температуре отпуска образуется в закаленной стали структура сорбит отпуска? 3. От чего зависит закаливаемость стали? 4. От чего зависит прокаливаемость стали? 56
5. Какие стали практически не закаливаются? 6. Как обозначается критическая точка превращения аустенита в перлит? 7. Какая структура формируется из аустенита при малых степенях его переохлаждения? 8. Какой вид отжига назначают для устранения дендритной ликвации слитков стали? 9. Что называют термическим улучшением стали? 10. Какой вид термической обработки приводит сталь в равновесное состояние? 11. После закалки стали 45 получена структура “мартенсит+феррит”. В чем причина брака? 12. Назовите закалочную среду, обеспечивающую высокую скорость охлаждения. 13. Какой термической обработке подвергают детали после цементации? 14. Как называют мельчайшую феррито-цементитную смесь? 15. От чего зависит твердость феррито-цементитной смеси? 16. Чем отличается сорбит от троостита отпуска? 17. В каких случаях отжиг целесообразно заменять нормализацией? 18. Сталь какой марки чувствительнее к закалочным напряжениям? 19. Какие стали обычно подвергают цементации? 20. В каких случаях назначают среднетемпературный отпуск детали? 3.5. Информационно-справочные данные Азотирование (nitriding) – ХТО с насыщением поверхностного слоя стали, чугуна и сплавов тугоплавких металлов азотом при температуре 500 – 1200 °С. Аустенит (austenite) – фаза, структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – твердый раствор углерода, а также легирующих элементов в α-железе. остаточный А. (retained austenite) – неустойчивый аустенит, существующий в качестве структурной составляющей в мартенситной или бейнитной структуре стали. переохлажденный А. (overcool austenite) – аустенит, существующий при температурах ниже температуры его термодинамической устойчивости. Аустенизация (austenization) – процесс образования аустенита при нагреве сталей выше критических температур. Бейнит (bainite) – структурная составляющая стали, образующаяся при промежуточном превращении аустенита и состоящая из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа. Закалка (quenching) – термическая обработка с нагревом до температур, превышающих температуру фазовых превращений, с выдержкой и с последующим охлаждением металла или сплава со скоростью, превышающей критическую; обеспечивает получение неравновесной структуры;
57
З. в водных растворах (aqulous solution quenching) – закалка с охлаждением в водных растворах солей, кислот и щелочей, обеспечивающих интенсификацию процесса; охлаждающая способность среды зависит от состава, концентрации и температуры растворов. З. в двух средах (two-medium quenching) – закалка с охлаждением в двух средах (напр. Через воду в масло), при которой для уменьшения закалочных напряжений используют замедленное охлаждение стали в области мартенситного превращения. З. в масле. (quenching in oil) – закалка с охлаждением в минеральных маслах, обеспечивающая равномерное охлаждение изделия в широком интервале температур. изотермическая З. (isothermal quenching) – закалка, при которой для уменьшения закалочных напряжений осуществляют изотермическую выдержку метастабильного аустенита, обеспечивающую получение бейнита. индукционная З. (induction quenching) – поверхностная закалка с нагревом в индукторе токами высокой частоты. неполная З. (incomplete quenching) – закалка доэвтектоидной стали с нагревом до температур межкритического интервала Ас1 – Ас3, не обеспечивающая полного превращения в аустенит; приводит к формированию феррито-мартенситной структуры. объемная З. (volume quenching) – закалка, при которой изделие нагревают до заданной температуры по всему объему. поверхностная З. (surface quenching) – закалка, при которой только поверхностный слой изделия нагревают до заданной температуры. полная З. (full quenching) – закалка доэвтектоидной стали с нагревом выше критической температуры Ас3, обеспечивающая полный переход в аустенитное состояние; последующее охлаждение приводит к образованию в основном мартенситной структуры. З. с обработкой холодом (subzero quenching) – закалка, сопровождаемая охлаждением до температуры ниже комнатной, обеспечивающим перевод остаточного аустенита в мартенсит. З. с полиморфным превращением (polymorphous transformation quenching) – закалка, в процессе которой при охлаждении происходит мартенситное превращение. З. с самоотпуском (self-tempering quenching) – закалка стали, при которой для уменьшения закалочных напряжений осуществляют вторую изотермическую выдержку метастабильного аустенита при температуре выше температуры начала мартенситного превращения; распад аустенита осуществляется при последующем медленном охлаждении в области образования мартенсита. ступенчатая З. (step quenching) – закалка стали, при которой для уменьшения закалочных напряжений осуществляют вторую изотермическую выдержку метастабильного аустенита при температуре выше температуры на-
58
чала мартенситного превращения; распад аустенита осуществляется при последующем медленном охлаждении в области образования мартенсита. Интервал межкритический (intercritical interval) – интервал температур между точкой А1 и А3 или Аcm на диаграмме Fe-Fe3C. Квазиэвтектоид (quasi-eutectoid) – продукт эвтектоидной реакции, внешний вид которого не отличается, а состав отличен от эвтектоидного. Коагуляция (coagulation) – Процесс увеличения размеров частиц твердой фазы в металлах и сплавах при повышенных температурах. С-образные кривые (S-like curve) – кривые, имеющие С-образную форму и характеризующие заданную степень развития некоторых процессов (фазовых превращений, коррозионного охрупчивания, растворения фаз и т.п.) в координатах “температура-время”. Мартенсит в стали (martensite) – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе, образующийся при закалке из аустенита. Нормализация (normalizing) – термическая обработка стали или чугуна, заключающаяся в нагреве выше критических точек (с получением преимущественно структуры аустенита), выдержке и охлаждении на воздухе. Отжиг (annealing) – термическая обработка с нагревом до температур, превышающих температуру фазовых или структурных превращений, с выдержкой и последующим медленным охлаждением; при этом обеспечивается получение равновесной структуры. Отпуск (tempering) – термическая обработка стали с нагревом ниже температуры полиморфного превращения, с выдержкой и охлаждением; обеспечивает получение более равновесной структуры и оптимальное сочетание служебных свойств. Высокий отпуск (high-temperature tempering) – отпуск с нагревом до 500 – 700°С, обеспечивающий высокую конструкционную прочность стали. Низкий отпуск (low-temperature tempering) – отпуск с нагревом до температур ниже 300 °С, обеспечивающий твердость, прочность и износостойкость стали на высоком уровне. Средний отпуск (medium-temperature tempering) – отпуск с нагревом до 300 – 500 °С, обеспечивающий сочетание высокой прочности, упругости и вязкости. Сорбит отпуска (sorbite tempering) – сорбит, образовавшийся при отпуске закаленной стали в результате коагуляции зерен цементита, имеет зернистое строение. Троостит отпуска (troostite tempering) – троостит с зернистым строением, образовавшийся при распаде мартенсита в процессе отпуска.
59
Глава 4 ЗАРУБЕЖНЫЕ АНАЛОГИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 4.1. Краткое теоретическое введение 4.1.1. Марки зарубежных аналогов углеродистой стали обыкновенного качества Марки зарубежных аналогов углеродистой стали обыкновенного качества определяют по совпадению значений интервалов содержания основных элементов (С, Si, Mn, P и S) и по сопоставлению механических свойств – временного сопротивления разрыву σв и пределу текучести σт (при этом разброс значений обычно ограничивают σв и σт пределами ±50 МПа). В России на углеродистую сталь обыкновенного качества распространяется ГОСТ 380–94, которому соответствуют международные стандарты ИСО 630–80 и ИСО 1052–82. В табл. 1 приведено сопоставление марок стали типа “Ст” и “Fe” по ИСО 630–80 и ИСО 1052–82. Таблица 12 Сопоставление марок стали типа "Ст" (ГОСТ 380–90) и "Fe" (ИСО 630–80 и ИСО 1052–82) Марки стали типов "Ст”
"Fe"
"Ст"
Ст0 Ст1кп Ст1пс Ст1сп Ст2кп Ст2пс Ст2сп Ст3кп Ст3пс Ст3Гпс Ст3сп Ст3Гсп
Fe310-0 Fe360-A Fe360-B Fe360-B Fe360-C Fe360-C Fe360-D
Ст4кп Ст4пс Ст4сп Ст5пс Ст5Гпс Ст5сп Ст6пс Ст6сп -
"Fe" Fe430-A Fe430-B Fe430-C Fe430-D Fe510-B, Fe490 Fe510-B, Fe490 Fe510-C, Fe490 Fe590 Fe590 Fe690
В табл. 12 буквы Ст обозначают “Сталь”, цифры – условный номермарки в зависимости от химического состава, буквы “кп”, “пс”, “сп” – степень раскисления (“кп” – кипящая, “пс” – полуспокойная, “сп” – спокойная). 60
Сопоставление отечественных марок углеродистых сталей с зарубежными по химическому составу, позволяет выбрать сплавы-аналоги приведенные в табл. 13, а по механическим свойствам – соответственно в табл. 14. Таблица 13 Марки зарубежных аналогов углеродистых сталей обыкновенного качества, близких по химическому составу отечественным сталям Россия (ГОСТ)
США (ASTM)
Германия (DIN)
Япония (JIS)
Cт2сп Cт3Гпс Cт5Гпс Cт3сп
A572/42
RSt34-2 St52-3И
SM41B
A131/B A573/58
SM41B
Таблица 14 Марки зарубежных углеродистых сталей обыкновенного качества, соответствующих отечественным по механическим свойствам Россия (ГОСТ)
США (ASTM)
Германия (DIN)
Япония (JIS)
Cт2сп, Ст2пс Cт3Гпс Cт3кп, Ст3сп Cт3Гпс Cт3Гпс Cт4сп Cт4сп Cт5сп Cт6сп
A283/С A283/С A572/42 A131/ВС A283/D A131/A -
Ust34-2 RSt37-2 Ust37-2 Ust42-2 St44-2 St50-2 St60-2
SS34 SM41B SM41B SS41 SM41A SS50 -
Для маркировки продукции используют краску цветов, приведенных в табл. 15. Таблица 15 Цвета маркировки углеродистой стали обыкновенного качества Марка стали Ст0 Ст1 Ст2 Ст3 Ст3Гпс Ст3Гсп Ст4 Ст5 Ст5Гпс Ст6
Цвета маркировки Красный и зеленый Желтый и черный Желтый Красный Красный и коричневый Синий и коричневый Черный Зеленый Зеленый и коричневый Синий
61
Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышаются после термической обработки: закалки в воде либо непосредственно после проката (термомеханическая обработка), либо после специального нагрева. Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок Ст3, Ст3кп, Ст5 толщиной 8; 20; 30; 50; 110 мм при охлаждении повышает предел текучести в 1,5 раза при высоком относительном удлинении и ударной вязкости. Термическому упрочнению подвергают и сортовой прокат (уголок, круг). Термически упрочняемые углеродистые стали рекомендуется применять для арматуры железобетонных конструкций, железнодорожных цистерн, в судостроении, железнодорожном транспорте. Термическая обработка низкоуглеродистых сталей с прокатного нагрева, расширение сортамента термически упрочненного проката экономит металл и приносит большой эффект. 4.1.2. Углеродистая качественная конструкционная сталь Качественную конструкционную углеродистую сталь по видам обработки делят на горячекатаную и кованную, калиброванную, со специальной отделкой поверхности. По состоянию материала сталь изготовляют: без термической обработки; термически обработанную – ТО; нагартованую – НГ (для калиброванной стали и круглой стали со специальной отделкой поверхности). Спокойная сталь, как правило, раскисляется марганцем, кремнием и алюминием; кипящая – только марганцем; полуспокойная – марганцем и алюминием. В связи с этим стали различаются по химическому составу: кипящая сталь почти не содержит кремния (Si<0,05 %), спокойная содержит нормальное количество кремния (Si=0,12 – 0,30 %), а в полуспокойной Si=0,05 – 0,10 %). Кипящая сталь, как менее раскисленная, содержит больше кислорода. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение по качеству, часто применяется вместо кипящей и спокойной. ГОСТ 1050–88 устанавливает общие технические условия для горячекатанного и кованного сортового проката из стали марок 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп) и 60 диаметром или толщиной до 250 мм, для проката калиброванного и со специальной отделкой поверхности всех марок. Марки зарубежных аналогов углеродистой качественной конструкционной стали и механические свойства некоторых зарубежных аналогов приведены в табл. 16 и 17.
62
Таблица 16 Марки зарубежных аналогов углеродистой качественной конструкционной стали Россия
США
Германия
Япония
Россия
США
Германия
Япония
ГОСТ 1050, 4041, 10702, 1577, 8733
ASTM A29/A29M, A512, A519, A576
DIN 1629/3, 2393/2, 17200, 17210
JIS G3445, G4051
ГОСТ 1050, 4041, 10702, 1577, 8733
ASTM A29/A2 9M, A512, A519, A576
DIN 1629/3, 2393/2, 17200, 17210
JIS G3445, G4051
05кп
1005, 1006
08кп
1008,
08пс
M1008
-
St 12 (2)
1023
-
-
1110
-
-
10
M1010 1010
Cк 10 (2)
S10C,S09C K S10C S12C
M1012, 1110 1012
С10 (2) -
-
M1025
-
1025
C25(1), Ck25(1),
S25C
30
M1031
-
-
35
1030 1034
C 30 (2) Ck35 (2)
S30C S35C
1035 1038
Ck35 (2) C 35 (2) Cm 35 (2)
S38C
1045
С40,Ск40
S40C
1042
Ст 40
S43C
M1044 1044 1045
S45C
1045 H
Ck 45 C 45 Ck 45 Ck 45 Ст 45
S48C -
1055
Ck 55 (2)
-
-
M 55 (2)
S55C
1060
C 60
S58C
-
Ст 60
25
15кп
M1015,1015
-
-
15пс
M1017,1017
-
-
15
M1015
Ck 15 (2)
45
55
20кп
M1017 1017
C 15 (2) -
S15C S15CK S15C S17C
M1020,
-
-
-
-
S22C,S2 0CK S22C,S2 0CK STKM13 B-W(2) -
-
M1012, 1012, 10пс
Ck 22 (1) C 22 (1)
-
M1010, 1010
20
-
08 10кп
-
40
1020(1), 20пс 20
M1023,1023 M1020,M102 3 1020
1020
Ck 22 (1) C22 (1) C22 St 35 (1)
S20C S20Ck S20C S22C SKM12A-S (1)
60
63
Таблицы 17 Механические свойства зарубежных аналогов углеродистой качественной конструкционной стали Страна
Стандарт
Марка стали
Германия
DIN 1629/3 DIN 17200
St2 Ck10
Термическая обработка сортамент ∆ о
Ck15
о
1020
–
Ск22 С22
у/о у/о о
США Германия
ASTM A29/A29M DIN 17200
Япония
DIN 1629/3 JIS G3445
Германия
DIN 17200
США
ASTM A291 A29M A519 A576 DIN 17200
Германия
St35 STKM 12A–S С25 Ск25 Сm25 C30 Cк30 Ск35
# у/о у/о у/о у/о у/о у/о
Размер, мм
11 30 11 30 –
Временное сопротивление, МПа 270 – 410 640 – 780 490 – 640 740 – 800 590 – 780 345
Предел текучести, МПа 280 390 295 440 355 221
Относительное удлинение, % 28 13 16 12 14 25
Относительное сужение, % – 40 50 35 45 –
17 – 40 17 – 40 17 – 40 –
500 – 650 490 – 640 340 – 440 340
300 295 225 175
22 22 25 –
50 45 – –
500 – 650 500 – 650 500 – 650 500 – 700 500 – 700 500 – 730 540 – 690 448
320 320 320 350 350 365 325 276
21 21 21 20 20 19 20 20
45 50 50 40 45 45 50 –
630 – 780 630 – 780
400 400
18 18
35 40
Cв 1б2 – 2
1035
#
17 – 40 17 – 40 17 – 40 17 – 40 17 – 40 17 – 40 41 – 100 –
C40 Ск40,Сm40
у/о у/о
17 – 40 17 – 40
Продолжение табл. 17 Страна Германия
США Германия
Стандарт DIN 17200
ASTM A29/A29M A519 DIN 17200
Марка стали Ck45
Термическая обработка сортамент у/о
Cm45 C50 1050
у/о у/о #
Ck50 Ck55
у/о у/о
C35 C60
у/о у/о
Cm60
у/о
Размер, мм 17 – 40 41 – 100 17 – 40 17 – 40 – 17 – 40 17 – 40 41 – 100 17 – 40 17 – 40 41 – 100 17 – 40
Временное сопротивление, МПа 660 – 850 620 – 810 650 – 800 700 – 850 552 700 740 700 750 780 740 800
– – – – – – –
Предел текучести, МПа 410 370 430 460 345
Относительное удлинение, % 15 16 16 15 1–0
Относительное сужение, % 40 – 40 30 –
460 460 420 500 490 450 520
15 15 15 14 13 14 13
35 40 40 30 30 35 30
850 890 850 900 930 890 950
Примечания: 1. Обозначение термической обработки: у – улучшение (закалка + высокий отпуск). 2. Обозначения сортамента: о – прокат; ∆ - лист; # – труба.
4.1.3. Маркировка конструкционных легированных сталей в национальных стандартах разных стран Системы маркировки конструкционной легированной стали в национальных стандартах различных стран при всем многообразии вариантов имеют одну общую особенность: в большинстве случаев в обозначение марки стали, основанное на учете химического состава, вводят в буквенном и числовом выражении обозначения химических элементов и их количеств. Существуют три способа обозначения химических элементов: 1) общепринятыми химическими символами, 2) буквами национального алфавита, 3) буквами английского алфавита в сочетании символами химических элементов. Например, символы химических элементов приняты в Евронормах и Германии, национальный (русский) алфавит применяется в России, буквы английского алфавита в сочетании с общепринятыми символами химических элементов – в стандартах Франции (табл. 18). Таблица 18 Обозначения химических элементов в марках сталей, принятые в России и Франции Наименование элемента Азот Алюминий Бериллий Бор Ванадий Вольфрам Кобальт Кремний Марганец Медь Молибден Никель Ниобий Редкоземельные металлы Селен Титан Фосфор Хром Цирконий
Обозначение элемента Россия А Ю Л Р Ф В К С Г Д М Н Б Ч Е Т П Х Ц
Франция Az A B V W K S M U D N Nb T P C Zr
В России конструкционные легированные стали поставляют по ГОСТ 4543–71. Как правило, химические элементы указывают в обозначении марки по первой букве русского названия или произвольно. 66
Обозначение марки состоит в основном из трех компонентов: первые две цифры указывают среднее содержание углерода, умноженное на 100, цифры после букв – среднее содержание легирующего элемента (при содержании элемента менее 1 % цифра не ставится). Обозначения сложнолегированных марок сталей часто могут быть условными (короткими), представляющими собой, например, сокращения или аббревиатуры завода изготовителя, уровень разработки стали и порядковый номер, присвоенный марке на заводе при ее выпуске. Например, опытные марки стали, выплавленные на металлургическом заводе АО “Электросталь”, обозначают ЭИ или ЭП (Э – электросталь, И – исследовательская, П – пробная) и присваивают им порядковый номер: ЭИ179, ЭП398. При введении в стандарты марки этих сталей обозначают цифрами и буквами, определяющими их химический состав, взамен сокращенного обозначения. В Германии стали поставляют по DIN 17210, 17211 и др. В обозначениях марок низколегированных сталей сначала указывают в виде числа содержание углерода, умноженное на 100, затем – основные легирующие элементы (их химические символы), далее – числа, соответствующие содержанию элементов, умноженному на коэффициент, указанный в табл. 19. Таблица 19 Переводные коэффициенты для определения среднего содержания легирующих элементов по Евронормам Легирующие элементы
Коэффициент
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta,Ti, V, Zr
10
N, P, S
100
B
1000
В обозначении марок высоколегированных сталей (с содержанием хотя бы одного легирующего компонента более 5 %) перед цифрами, соответствующими содержанию углерода, вводится буква “Х”. В этом случае содержание легирующих элементов записывают без учета коэффициента. Например, Х12Cr – Ni177 – высоколегированная хромоникелевая сталь, содержащая в среднем 0,12 %С, 17% Cr, 7% Ni; Х5Cr – Ni – Mo1810 – высоколегированная хромоникельмолибденовая сталь, содержащая в среднем 0,05 %С, 18 % Cr, 10 % Ni, ≈1% Mo. Примеры аналогов российским маркам стали приведены в табл. 20. В США стали поставляют по стандартам ASTM A29/A29M, A304, A322 и др. Маркируют четырехзначным числом, к которому иногда добавляют прописные буквы. Первые две цифры характеризуют сталь по основному легирующему элементу (никелевая, никель-хромистая, и т.д.), следующие две 67
цифры обозначают среднее содержание углерода, умноженное на 100. Первое двухзначное число, начинающееся с цифр: 2 – характеризует никельсодержащую сталь (23хх – сталь с Ni ≈ 3,5 %; 25хх – сталь с Ni ≈ 5 %), 3 – никельхромистую сталь (31хх – Ni ≈ 1,25 % и Cr ≈ 0,6 %; 32хх– Ni ≈ 1,75 % и Cr ≈ 1,0 %; 33хх – Ni ≈ 3,5 % и Cr ≤ 1,5 %). 4 – молибденосодержащую сталь (40хх, 44хх, 45хх – молибденовая с Мо = 0,35...0,65 %; 46хх – никельмолибденовая с Ni = 1,8 % и Мо = 0,25 %; 47хх – никельхроммолибденовая с Ni = 1,0 %, Cr = 0,45 % и Мо = 0,25 %; и т.д.). 5 – хромистую, 6 – хромованадиевую, 7 – хромалюминийванадиевую, 8 – никельхроммолибденовую, 9 – кремнистую сталь. Таблица 20 Примеры маркировки аналогов конструкционных легированных сталей в России и Германии Сталь
Россия
Германия
20Х 35Х
20Cr4 34Cr4
Хромомолибденовая
30ХМ 35ХМ
25CrMo4 34CrMo4
Марганцовистая
40Г 30Г2
40Mn4 28Mn6
Хромомарганцевая
18ХГ
20MnCr5
Хромоникельмолибденовая
38Х2Н2МА (38ХНМА)
36CrNiMo4
Хромоалюминиевая с молибденом
38Х2МЮА (38ХМЮА)
41CrAlMo7
Хромистая
Буквы в обозначении марки могут стоять в начале, конце и середине (между парами цифр). Вначале (перед цифрами) могут быть прописные буквы, характеризующие способ производства стали (например, Е – выплавленные в электропечах), в конце (после цифр часто стоит буква Н, обозначающая прокаливаемость стали, в середине (между парами цифр), буква В указывает на содержание бора: сталь 5120 – хромистая сталь со средним содержанием углерода 0,20 %; 5120Н – та же сталь, но с повышенной прокаливаемостью; 15В21Н – марганцовистая сталь со средним содержанием углерода 0,21 %, содержащая бор, с повышенной прокаливаемостью. 68
Примеры аналогов конструкционных легированных сталей России и США приведены в табл. 21. Во Франции стали поставляют по стандартам NF: NF–A35–551, NF–A35– 552 и др. Таблица 21 Примеры маркировки аналогов конструкционных легированных сталей в России и США Сталь
Россия
США
Хромистая
20Х 35Х
5120, 5120Н 5135, 5135Н
Хромомолибденовая
30ХМ 35ХМ
4130, 4130Н 4135, 4135Н
Никельмолибденовая
12Н2М (15НМ) 20Н2М (20НМ)
4615 4620, 4620Н
Хромоникелевая
12Х2Н4А
Е3310
Хромоникельмолибденовая
20ХН2М (20ХМ) 40ХН2Ма (40ХНМА)
4320, 4320Н 4340
Легированные стали общего назначения, содержащие ограниченное количество легирующих элементов и используемые в основном без термической обработки (или после отжига или нормализации) обозначают обычно заглавной буквой “А”, далее указывают минимальное временное сопротивление разрыву (предел прочности) в МПа и затем заглавными буквами – основные легирующие элементы. В случае необходимости за этими буквами указывают содержание легирующих элементов в процентах, умноженное на соответствующее число (коэффициент в табл. 19). После буквы А может стоять буква S, что означает хорошую свариваемость. Пример: А550М – марганцовистая сталь с минимально гарантированным временным сопротивлением разрыву 550 МПа с Mn ≈ 1 %. Обозначение марки низколегированной стали (содержание любого легирующего элемента менее 5 %), подвергаемой упрочняющей термической обработке, начинается с указания содержания углерода в процентах, умноженного на 100. Затем вводят заглавные буквы, характеризующие основные химические элементы и после них – цифры, указывающие на содержание этих элементов. Пример: сталь 42CD4 – низколегированная сталь с С = 0,42 %, Cr ≈ 1 %, Мо < 1 %. Обозначение марки высоколегированной стали (содержание хотя бы одного из легирующих элементов превышает 5 %), подвергаемой термической обработке, начинается с буквы Z, цифры характеризуют содержание легирующих элементов. Если содержание легирующего элемента не превышает 10%, перед цифрой ставят ноль. 69
Примеры: сталь Z5CN 18–08 – высоколегированная хромоникелевая сталь с С = 0,05 %, Cr = 18 % и Ni =8 %; сталь Z5CNТ 18–08 – высоколегированная хромоникелевая сталь С = 0,08 %, Cr = 18 % и Ni =8 % и Ti< 1 %. Примеры маркировки аналогов конструкционных легированных сталей в России и Франции приведены в табл. 22. Таблица 22 Примеры маркировки аналогов конструкционных легированных сталей в России и Франции Сталь
Россия
Франция
Хромованадиевая
50ХФА
50CV4
Хромоникелевая
12ХН3А
14NC11
38ХМ 38ХМЮА
42CD4 40CAD6-12
Хромомолибденовая Хромоалюминиевая с молибденом
В Японии стали поставляют по стандарту JIS: G4051, G4052, G4102, G4103, G4104,G4105, G4106, G4202 и др. Обозначение марки начинается с буквы S, после которой указывают легирующие элементы и затем – цифры. Легирующие элементы могут обозначаться или общепринятыми символами химических элементов, или одновременно символами и буквами. Однозначные и двухзначные цифры, а также первая цифра в трехзначном числе в конце марки улучшаемых сталей характеризуют порядковый номер стали в группе, а две последние цифры в трехзначном числе – содержание углерода, умноженном на 100. Буква Н после цифр указывает на особенности прокаливаемости стали этой марки. В сталях специального назначения (например, для труб) трехзначное число означает минимальное временное сопротивление разрыву (предел прочности) в МПа. Примеры: сталь SCr420 – улучшаемая хромистая сталь (4-я группа) с С = 0,20 %; SCr20Н – то же, но с особенностями прокаливаемости; SMnC420 – улучшаемая хромомарганцевая сталь (4-я группа) с С = 0,20 %; SNC631 – улучшаемая хромоникелевая сталь (6-я группа) с С = 0,31 %; STCxxx – сталь для труб, применяемых в химической промышленности [Т – трубы, С – хром, ххх – значения минимального временного сопротивления разрыву (предела прочности) в МПа]. Некоторые принятые в Японии обозначения отдельных групп легированных конструкционных сталей: 70
SUPx – сталь для пружин; SNCx - никельхромистая улучшаемая конструкционная сталь; SNCMx – никельхромомолибденовая улучшаемая конструкционная сталь; SACM – хромоалюминиевая с молибденом азотируемая сталь; SCrx – хромистая улучшаемая конструционная сталь. Примеры маркировки с молибденом этих сталей в России и Японии приведены в табл. 23. Таблица 23 Примеры маркировки аналогов конструкционных легированных сталей в России и Японии Сталь
Россия
Япония
Хромистая
30Х 40Х 30Г2 40Г2 15ХМ 35ХМ 20ХН2МА (20ХНМ) 40ХН2МА (40ХНМА) 38Х2МЮА (38ХМЮА)
SCr430, SCr430H SCr440, SCr44H SMn433, SMn433H SMn438,SMn438H SCM415, SCM415H SCM435, SCM435H SNCM420, SNCM420H SNCM439 SACM645
Марганцовистая Хромомолибденовая Хромоникелевая Хромоалюминиевая с молибденом
Зарубежные аналоги конструкционных легированных сталей 15Х, 15ХА, 20Х приведены в табл. 24, 25 и 26. Назначение сталей 15Х, 15ХА, 20Х – для цементуемых деталей, работающих на трение, с повышенной по сравнению с углеродистой сталью прочностью сердцевины (поршневые пальцы и кольца, распределительные и червячные валы, толкатели клапанов, копиры, детали моторов сечением до 30 мм, подвергаемые цементации и цианированию. Сталь 20Х может применяться так же, как улучшаемая сталь и нитроцементуемая с термоциклированием. Таблица 24 Химический состав зарубежных аналогов стали 15Х Страна Стандарт
Марка стали
C
Содержание элементов, %, не более Si Mn P S Cr Ni 0,150,35
США
ASTM A29/A29 M
5115
0,13– 0,18
Германия
DIN 17210
15Cr3
0,14–
Япония
JIS G4104
SCr415
0,20 0,13– 0,18
0,7- 0,03 0,9 5
0,40 0,4007 0,150,35
0,6008
Cu
0,04
0,70,9
0,25
0,35
0,03 5
0,035
0,60,9
-
-
0,03
0,03
0,91,2
-
-
71
Таблица 25 Химический состав зарубежных аналогов цементируемой хромистой стали 20Х Страна Стандарт США Германия Япония
ASTM 304 DIN 17210 JIS G4104
Марка стали 5120H 20CrS4 SCr420
C 0,17– 0,23 0,17– 0,23 0,18– 0,23
Содержание элементов, %, не более Si Mn P S Cr Ni 0,150,35 0,40 0,150,35
0,61,0 0,609 0,600,85
0,035
0,045
0,035
0,02
0,03
0,03
0,61,0 0,91,2 0,91,2
0,25
Cu 0,35
-
-
-
-
Таблица 26 Химический состав зарубежных аналогов улучшаемой хромистой стали 20Х Страна Стандарт
Марка стали 5117
США
AISI
США
ASTM A29/A29 M
5120
США
ASTM A304
5120H
C
Содержание элементов, %, не более Si Mn P S Cr Ni
0,15– 0,20 0,17– 0,22
0,150,30 0,150,35
0,70,9 0,70,9
0,035
0,04
0,035
0,04
0,17– 0,23
0,150,35
0,601,00
0,035
0,04
0,70,9 0,70,9
-
0,61,0
0,25
-
Cu
-
0,35
В России прокат из конструкционных легированных сталей 15Х, 15ХА, 20Х маркируется по ГОСТ 4543–71. Пример условного обозначения: Прокат горячекатаный, квадратный, со стороной квадрата 36 мм, обычной точности прокатки В по ГОСТ 2591–71, марки 20Х, группы качества поверхности 2, термически обработанный Т:
Квад р ат
36 − ВГОСТ − 2591 20Х − Т. ГОСТ.4543
4.1.4. Чугун с пластинчатым графитом Чугун с пластинчатым графитом (ЧПГ) является основным литейным сплавом в машиностроении. Главной особенностью микроструктуры ЧПГ, определяющей физикомеханические и служебные свойства, является наличие пластинчатого графита. Пластинчатый графит нарушает сплошность металлической основы, поэтому ЧПГ имеет сравнительно невысокие значения временного сопротивления разрыву и очень низкую пластичность. Однако именно благодаря пластинчатому графиту в сером чугуне (СЧ) уникально сочетаются хорошие антифрикционные свойства, высокая износостойкость, малая чувствительность 72
к концентраторам напряжений. ЧПГ имеет высокую демпфирующую способность и прекрасно гасит вибрации. СЧ – технологичный материал, обладает хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к образованию усадочных дефектов по сравнению с чугуном других типов. Из него можно изготовлять отливки самой сложной конфигурации с толщиной стенок от 2 до 500 мм. В основу стандартизации СЧ заложены принципы регламентации минимально допустимого значения временного сопротивления разрыву при растяжении. Марки, механические свойства и химический состав СЧ по ГОСТ 1412– 85, ИСО 185 и национальным стандартам некоторых стран приведены в табл. 27 Таблица 27 Отечественные марки чугуна с пластинчатым графитом и их зарубежные аналоги Россия ГОСТ 1412-85
СЧ 10
СЧ 15 СЧ 18 СЧ 20
СЧ 21 СЧ 24 СЧ 25 -
СЧ 30
СЧ 35
ИСО 185
100
150
-
200
-
-
250
-
300
350
Великобритания BS 1452
100
150
180
200
220
-
250
-
300
350
Германия DIN 1691
GG-10
GG-15 -
GG-20
-
-
GG25
-
GG-30
GG-35
США ASTM A 48
20B
25B
-
30B
-
-
35B
40B
45B
50B
Япония JIS G 5501
FC 100 FC 150
-
FC 200
-
-
FC 250
-
FC 300
FC 350
По ГОСТ 1412–85 марка ЧПГ определяется показателем временного сопротивления чугуна при растяжении. Условное обозначение марки включает буквы СЧ – серый чугун и цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления при растяжении в МПа х 10-1: СЧ 20 ГОСТ 1412–85. Механические свойства ЧПГ обеспечиваются в литом состоянии или после термической обработки. Поскольку значения прочности чугуна данной марки в отливке зависят от скорости охлаждения, определяемой толщиной стенки (диаметром) отливки, в стандартах приводятся минимальные значения σв в отдельно отлитых пробных заготовках других диаметров или сечений из СЧ каждой марки. Классификация серого литейного чугуна по международному стандарту ИСО 185 включает шесть классов, устанавливаемых на основании результатов механических испытаний на растяжение образцов, вырезанных из различных литейных проб. Характерным показателем, определяющим марку 73
чугуна, является временное сопротивление при растяжении σв образцов из отдельно отлитых цилиндрических проб диаметром 30 мм (табл. 28). Для отливок массой более 200 кг испытания могут быть также произведены на приливных пробах. В ИСО 185 для руководства при проектировании конструкций и изделий исключительно в качестве информации, приведены данные по ожидаемым механическим свойствам при растяжении для материала отливок. Однако по согласованию между Изготовителем и Заказчиком значения σв могут быть сделаны обязательными. По ИСО 185 буквенные обозначения не применяют в марках чугунов. В случаях, когда наиболее существенной характеристикой является твердость чугуна, можно пользоваться рекомендациями, приведенными в табл. 28. Таблица 28 Классы твердости чугуна с пластинчатым графитом по ИСО 185 Класс Пределы твердости изменения твердости НВ
Класс Пределы твердости изменения твердости НВ
Н 145
170 max
Н 215
190–240
Н 175 Н 195
150-200 170-220
Н 235 Н225
210–260 230–280
По стандарту Германии DIN 1691 в заказе на отливки должно быть однозначно указано: является ли характерным свойством временное сопротивление при растяжении или твердость по Бринелю. В зависимости от этого маркировка чугунов обозначается по разному. Например: Чугун DIN 1691 – GG – 25 или Чугун DIN 1691 – GG – 210HB Данные о временном сопротивлении при растяжении являются гарантированными в отливках. Связь между толщиной стенки (2,5 – 80 мм) и твердостью отливки из различных марок СЧ представлена в DIN 1691 в регламентируемом виде, что позволяет правильно и точно устанавливать твердость для заданного интервала толщин стенок отливок. В приложении к стандарту DIN 1691 представлены зависимости временного сопротивления при растяжении от твердости и толщины стенки отливки. В стандарте Великобритании BS 1452 представлено семь марок ЧПГ. Соотношение между прочностью ЧПГ и сечением отливок представляют на диаграммах.
74
Стандарт США ASTM A 48 включает девять марок чугуна. Условное обозначение марки включает цифровое обозначение и букву “В”. Число определяет временное сопротивление разрыву (фунтах/кв. дюйм), например: 20В ASTM A 48. Стандарт Японии JIS G 5501 включает шесть марок ЧПГ. Условное обозначение марки включает буквы FC и цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления при растяжении в МПа х 10-1, например: FC 25 JIS G 5501. 4.1.5. Чугун с шаровидным графитом Чугун с шаровидным графитом (ЧШГ) является перспективным конструкционным материалом для изготовления ответственных деталей. ЧШГ обладает комплексом физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств, что выгодно отличает его от других конструкционных материалов: от стали – лучшей износостойкостью и антифрикционностью, более высокой коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью резанием; от чугуна с пластинчатым графитом (ЧПГ) – большей прочностью и пластичностью. Благодаря высокой жидкотекучести, ЧШГ может быть использован для производства сложных по конфигурации деталей, получение которых ковкой и штамповкой затруднено, а иногда просто невозможно. Меньшая плотность ЧПГ (на 8 – 10 %) позволяет снизить массу деталей по сравнению с массой деталей из стали. Замена ЧПГ на ЧШГ позволяет уменьшить в 1,5 – 2,0 раза толщины отливок и , тем самым, снизить массу деталей машин при одновременном повышении их надежности. Детали из ЧШГ можно подвергать всем видам упрочняющей термической обработки, применяющейся для стали с таким же, а иногда и большим успехом. Особенностью ЧШГ как конструкционного материала является высокое отношение условного предела текучести δ0,2 к временному сопротивлению при растяжении δВ составляющее 0,6 – 0,7 (у стали 0,5 – 0,6), что важно для уменьшения расхода материалов и снижения массы машин, так как конструкции рассчитывают на прочность, как правило, по условному пределу текучести. Циклическая вязкость или демпфирующая способность материала гасить возникающие при работе механизмов вибрации у ЧШГ хотя и ниже, чем у ЧПГ, но значительно выше, чем у стали. Эта характеристика у перлитоферритного ЧШГ при напряжениях 50 – 100 МПа составляет 4 – 6 %, в то время как у стали – 0,3 – 0,6 %. По известному показателю временного сопротивления разрыву при растяжении, приведенным эмпирическим зависимостям и данным табл. 29 можно определить пределы выносливости при растяжении и кручении различных чугунов. 75
ЧШГ δ-1 = (0,58 – 0,0002δВ) δВ, КЧ δ-1 = (0,48 – 0,0002δВ) δВ, ЧПГ δ-1 = (0,52 – 0,0003δВ) δВ. Данные зависимости были получены на образцах диаметром 7,5 мм, изготовленных из заготовок диаметром или толщиной до 30 мм. Таблица 29 Соотношение механических свойств чугунов с различной формой графита Тип чугуна
δp-1/δ-1
δp-1/δВ
τ-1/δ-1
τ-1/δВ
ЧПГ
0.60-0.70
0.28-0.34
0.75-0.85
0.34-0.42
КЧ
0.55-0.65
0.22-0.28
0.80-0.90
0.32-0.38
ЧШГ
0.65-0.75
0.28-0.34
0.70-0.80
0.30-0.36
ЧШГ обладает высокой прочностью при сжатии δсж/δВ ≈ 3, это обстоятельство связано с тем, что графит не влияет на сопротивление сжатию столь отрицательно, как на растяжение. Регламентация требований стандартов на ЧШГ практически везде одинакова. Кроме того, существует международный стандарт ИСО 1083, регламентирующий классификацию литейных чугунов с шаровидным графитом в соответствии с механическими свойствами материала. Марки, механические свойства и химический состав ЧШГ по ГОСТ 7293– 85, ИСО 1083 и национальным стандартам некоторых стран приведены в табл. 29 – 30. По ГОСТ 7293–85 марка ЧШГ определяется показателями временного сопротивления разрыву δВ и условного предела текучести δ0,2. Условное обозначение марки включает буквы ВЧ – высокопрочный чугун и числовое минимальное значение δВ в МПА∗10-1: ВЧ 50 ГОСТ 7293–85. Механические свойства ЧШГ обеспечиваются в литом состоянии или после термической обработки. Показатели относительно удлинения, твердости и ударной вязкости определяют только при наличии требований в нормативно-технической документации, и они должны соответствовать требованиям ГОСТа. В стандарте США ASTM А536 первое и второе числа в марке чугуна определяют временное сопротивление разрыву; первое – в (фунтах/кв.дюйм) 103, а второе – округленная величина этого показателя в МПА∗10-1; третье число – минимальное значение относительного удлинения в процентах: 60-42-10. В стандарте Германии DIN 1693 марка чугуна, например GGG-60 обозначает следующее: G – литой, G – чугун, G – шаровидный, 60 – минимальное значение временного сопротивления разрыву в МПа∗10-1. 76
В стандарте Великобритании BS 2789 буквенные обозначения не применяют. В стандарте Франции NFA 32–201 буквы FGS обозначают: F – литье, G – графит и S – шаровидный. В стандартах Франции и Великобритании указывается относительное удлинение в %. Если испытания на растяжение выполняются не на отдельных, а на приливных образцах, отливаемых совместно с отливкой, указанное обозначение дополняется буквой “А”. Если к отливкам предъявляются требования по ударной вязкости при низкой температуре, указанные обозначения дополняются буквой “L”, сопровождаемой числом, соответствующим температуре испытания, Символы “L” и “А” могут сочетаться, например: FGS 350 – 22AL40. Стандарт Японии JIS включает семь марок ЧШГ: FCD370 и FCD400 – ферритные, FCD450 и FCD500 – ферритно-перлитные, FCD600, FCD700 и FCD800 – перлитные чугуны. В международном стандарте ИСО 1083 буквенные обозначения не применяют. Стандарт содержит механические свойства, измеренные на образцах для испытаний, полученных из отдельно отлитых проб и отлитых вместе с отливкой. В марке чугуна может присутствовать буква “А”, свидетельствующая о том, что свойства были получены при испытании отлитых заодно с заготовкой образцов, буква “L”, если к отливке предъявляются требования по ударной вязкости. Символы “L” и “А” могут сочетаться, например, 400–18AL. В большинстве национальных стандартов на высокопрочные чугуны, регламентирующих механические свойства, химический состав чугунов не оговаривается, В стандартах всех стран, кроме России, Германии и США, приводятся контрольные пределы величин твердости. Остальные параметры чугунов, в том числе микроструктура, могут контролироваться по требованию заказчика. Количество графита преимущественно шаровидной формы, оговариваемое в большинстве национальных стандартов, колеблется в широких пределах от 70 % (Япония) до 90 % (США ASTM A395). В стандарте ASTM А395 приведена единственная марка ферритного ЧШГ с контролем химического состава по основным элементам и твердости. Оценка формы графита в большинстве национальных стандартов, в том числе и ИСО 945, производится по эталонам, которые не дают количественных значений. Только в стандарте Японии JIS G 5502 приведена методика расчета степени сфероидизации (в %) графита по формуле: 0* n1 + 0,3* n 2 + 0,7 * n 3 + 0,9 * n 4 + 1,0* n s CCГ = 100, n1 + n 2 + n 3 + n 4 + n 5 77
Таблица 30 Отечественные марки чугунов с шаровидным графитом и их зарубежные аналоги Россия, ГОСТ 7293–85
ВЧ 35
ИСО 1083
ВЧ 40
ВЧ 45
ВЧ 50
350–22, 350– 400–18, 400– 450–10 500–7, 500– 22AL 18L, 400–18AL, 7A 400–15, 400– 15A Великобритания BS 2789 350/22L40, 400/18, 450/10 500/7 350/22 400/18L20, 420/12 Германия DIN 1693 GGG–35.3 GGG–40, GGG– – GGG–50 40.3 США ASTM A 536 – 60–40–18*, 60– 65–45–12 70–50–05 42–10 Франция NFA 32–201 FGS 350– FGS 400–15, FGS 450–10 FGS 500–7 22L40, FGS FGS 400–18, 350–22 FGS 400–18L20 Япония JISG–5503 FCD 370 FCD 400 FCD 450 FCD 500
* Марка стандартов А 536 и А 395 **Стандарт JISG–5503
ВЧ 60
ВЧ 70
600–3, 600– 700–2, 700– 3A 2A
ВЧ 80
ВЧ 100
800–2
900–2
600/3
700/2
800/2
900/2
GGG–60
GGG–70
GGG–80
–
80–55–06, 100–70–03 120–90–02 80–60–03 FGS 600–3 FGS 700–2 FGS 800–2
FCD 600
FCD 700
FCD 800
– FGS 900–2
FCD 900A**, FCD 1000A**, FCD 1200A**
где n1 – количество графитовых включений, соответствующих различным формам графита (от пластинчатой до шаровидной, всего 5 форм, рис. 22), определяемых на шлифе или фотографии и сравниваемых по фигурам, приведенным в стандарте.
n3
n2
n1
n4
n5
Рис.22 Характеристика форм (n1... n5) графита
Использование критериев механики разрушения для оценки конструкционной прочности чугунов позволяет: обоснованно выбирать тип и марку чугуна применительно к условиям эксплуатации литой детали, в том числе при решении вопросов об использовании ЧШГ вместо стали и ЧПГ; количественно оценивать влияние размеров и формы детали имеющихся дефектов на долговечность изделий, разрабатывать нормы дефектности чугунных отливок; анализировать причины разрушения изделий в процессе эксплуатации и принимать меры по их устранению. Одним из основных критериев механики разрушения является критический коэффициент интенсивности напряжений (трещинностойкость) К1С (МПа м1/2), который используют при расчетной оценке надежности деталей. Минимально допустимые значения коэффициента приведены в табл. 31. Таблица 31 Коэффициент К1с для стандартных марок ЧШГ Марка чугуна
ВЧ 35
ВЧ40
ВЧ 45
ВЧ 50
К1с МПа*м1/2
70
65
60
50
Марка чугуна
ВЧ 60
ВЧ 70
ВЧ80
ВЧ100
45
25
25
30
К1с МПа*м1/2
Ценность показателя К1с как характеристики материала состоит в том, что его можно непосредственно использовать для расчета конструкций. Если известен коэффициент К1с, то можно вычислить допустимый размер трещины при заданном рабочем напряжении или, наоборот, допустимое рабочее напряжение при заданном размере трещин по формуле
K1c = γσ πl к р, 79
где γ – коэффициент, учитывающий геометрию литой детали; σ – рабочее напряжение, МПа, lкр – критическая длина дефекта, м. В современных расчетах высоконагруженных конструкций используют “принцип безопасного повреждения”, допускающий эксплуатацию конструкций при наличии трещин длиной меньше lкр. Этот принцип очень важен, так как при изготовлении изделий трудно полностью избежать поверхностных и внутренних дефектов (царапин, усадочных микропустот и др.) Кроме того, трещины могут возникать и при эксплуатации изделий. Известны немало случаев когда ответственные нагруженные конструкции работали при наличии в них трещин длиной в десятки сантиметров. Если на шлифах (рис. 22) серых чугунов графит имеет форму извилистых прожилок, то в ковких чугунах графит, называемый углеродом отжига, находится в форме более компактных хлопьевидных включений с рваными краями, Более компактная форма графита обеспечивает повышение механических свойств ковкого чугуна по сравнению с серым чугуном с пластинчатым графитом. Обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и высокопрочному чугуну, высоким сопротивлением ударным нагрузкам, износостойкостью, обрабатываемостью резанием и свариваемостью, ковкий чугун находит свое применение во многих отраслях промышленности. Из него изготавливают поршни, шестерни, шатуны, скобы, иллюминаторные кольца и др. 4.1.6. Чугуны с вермикулярным графитом. Наряду с шаровидным графитом высокопрочные чугуны могут содержать некоторое количество вермикулярного (от лат. vermiculus – червячок) графита. В пространстве такой графит, как и пластинчатый, имеет форму изогнутых лепестков. От пластинчатого вермикулярный графит отличается округлыми краями, меньшими размерами и меньшим отношением длины лепестка к его толщине (у вермикулярного графита это отношение находится в пределах 2 – 10, а у пластинчатого значительно больше 10). Поэтому вермикулярный графит не является таким концентратором напряжений, как пластинчатый. Его можно рассматривать как переходную форму от пластинчатого к шаровидному графиту. При одинаковом содержании углерода и кремния соотношение количеств шаровидного и вермикулярного графита в чугуне зависит от условий его получения, главным образом от обработки расплава лигатурами, содержащими магний и редкоземельные металлы. Чугун с вермикулярным графитом, как самостоятельный литейный материал в России, был стандартизован в 1989 г. (в промышленности его используют с 1968 г.) 80
В соответствии с ГОСТ 28394–89 чугун с вермикулярным графитом может содержать не более 40 % шаровидного графита, весь остальной графит – вермикулярный. Такой чугун обозначают буквами ЧВГ, за которыми следует число, указывающее гарантируемое значение σв в кгс/мм2. (табл. 32, 33). Таблица 32 Химический состав чугуна с вермикулярным графитом (ГОСТ 2894-89) Массовая доля элементов Марка чугуна
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ca
ЧВГ30
3,5–3,8
2,2–3,0
0,2–0,6
до 0,08
до 0,025 до 0,015
–
ЧВГ35
3,5–3,8
2,2–2,8
0,2–0,6
до 0,08
до 0,025 до0,15
–
ЧВГ40
3,1–3,5
2,0–2,5
0,4–1,0
до 0,08
до 0,025 до 0,2
0,4–0,6
ЧВГ45
3,1–3,5
2,0–2,5
0,8–1,2
до 0,05
до 0,025 до 0,3
0,8–1,0
Таблица 33 Механические свойства чугуна с вермикулярным графитом (ГОСТ 2894-89) Механические свойства Марка чугуна
δВ,МПа (кгс/мм2)
δ 0,2, МПа (кгс/мм2)
ЧВГ30
300 (30)
240 (24)
3,0
130–180
Феррит
ЧВГ35
350 (35)
260 (26)
2,0
140–190
Феррит
ЧВГ40
400 (40)
320 (32)
1,5
170–220
Перлит
ЧВГ45
450 (45)
380 (38)
0,8
190–250
Перлит
Относительное удлинение, δ ,%
Твердость по Структура Бринелю НВ металлической основы
Марку чугуна можно изменить, применив термообработку, от которой зависит структура основы (ферритная, перлитная, бейнитная). При одинаковом строении матрицы механические свойства чугуна с вермикулярным графитом являются промежуточными между значениями свойств серого чугуна с пластинчатым графитом и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Чугуны марок ЧВГ прочнее, а при одинаковой прочности пластичнее чугунов марок СЧ. Они превосходят чугуны марок ВЧ по демпфирующей способности и по обрабатываемости резанием. Для ЧВГ характерны высокая жидкотекучесть, обрабатываемость резанием, малая усадка. Чугуны с вермикулярным графитом широко используются в мировом и отечественном автомобилестроении, тракторостроении, судо81
строении, дизелестроении, энергетическом и металлургическом машиностроении для деталей, работающих при значительных механических нагрузках в условиях износа, гидрокавитации, переменном повышении температуры. Например, ЧВГ используется взамен СЧ для производства головок цилиндров крупных морских дизельных ДВС. 4.1.7. Отливки из легированного чугуна со специальными свойствами Чугунное литье известно более двух тысячелетии. Историческими примерами достижения отечественных литейщиков чугуна являются отливки царь-пушки и царь-колокола. Особенно сложные и ответственные элементы конструкций современного машиностроения такие, как корпуса крупных судов, дизельных двигателей, паровых и газовых турбин, коленчатые валы, изготовляют из высокопрочного или серого чугуна. Подобные элементы невозможно изготовить другими способами. Производство отливок в нашей стране регламентировано межгосударственными стандартами на общие технические условия (ГОСТ 26358–68), на допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку (ГОСТ 26645–68). Основным требованием, предъявляемым к большинству чугунных отливок общего назначения, является конструкционная прочность – временное сопротивление, иногда в месте с твердостью, относительным удлинением, пределом текучести или ударной вязкостью. Указанные свойства и прежде всего временное сопротивление при растяжении регламентируются в стандартах марок серого, высокопрочного и ковкого чугунов. В современном машиностроении отливки из чугуна наряду с прочностью должны обладать рядом специальных свойств, которые обеспечивают их длительную эксплуатационную стойкость в различных агрессивных средах или других специальных условиях. Специальные свойства и структура таких чугунов определяются в основном химическим составом и, в первую очередь, степенью их легирования. Химический состав легированных чугунов для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентирован ГОСТ 7769–82. По ГОСТ 7769–82 в марке легированного чугуна буквы означают: Ч – чугун; легирующие элементы Х – хром, С – кремний, Г – марганец, Н – никель, Д – медь, М –молибден, Т – титан, П – фосфор, Ю – алюминий, Ш – графит в чугуне шаровидной формы; цифры, стоящие после буквы, означают примерную массовую долю основных легирующих элементов. Например: ЧХ1, ЧХ9Н5. По ИСО 2892 в марке чугуна буквы L и S означают соответственно пластинчатый и шаровидный графит, а затем в порядке убывания стоят символы легирующих химических элементов, а также их массовые доли. Например: L – NiMn 13 7; S – NiCr 30 1. Для большинства высоколегированных чугунов термообработкой невозможно изменить структуру металлической основы. Наиболее распространен82
ной термообработкой для отливок является отпуск или отжиг для снятия остаточных напряжении, так как большая часть высоколегированных чугунов, имеющих высокие модуль упругости, линейную усадку, твердость и низкую теплопроводность (табл. 34), склонна к возникновению напряжении и последующему растрескиванию при выбивке из форм, транспортировке или монтаже (особенно высоколегированных кремнистых). Таблица 34 Виды термообработки отливок из легированных чугунов Назначение термообработки
Температура, °С
Граитизирующий отжиг 900 – 950 для уменьшения твердости и содержания структурно свободного цемен- 860 – 880 тита Гомогенизирующая вы- 980 –1040 держка с нормализацией для снижения магнитной проницаемости, твердостии повышения пластичности и прочности Нормализация для повы1050– шения твердости отливок 1100
Режим* Время выдержки, ч 6–12
Отжиг и высокий отпуск для снижения твердости и улучшения обрабатываемости Отпуск для снижения ползучести жаропрочных отливок (на 30–50 °С выше температуры эксплуатации)
С печью
1–2 4–6
1–2
860–980 Отпуск после отливки или нормализации для снятия внутренних нап-ряжений
Охлаждение
200-250
2–3
520–560
3–4
690–750 660–690
6–12
450–650
4-6
Виды чугуна Низколегированные всех видов, за исключением износостойких Высоколегированные кремнистые Высоколегированные марганцевые и никелевые, за исключением марок ЧН4Х2 и ЧГ7Х4
На воздухе, в масле или в 15 %-ном водном растворе жидкого стекла На воздухе Высокохромистые износостойкие Низколегированные хромистые, алюминиевые и никелевые, а также марок ЧГ7Х2, ЧН4Х2 С печью Все виды кроме высокохромистых и высокоалюминиевых. Высоколегированные хромистые и алюминиевые С печью Высоколегированные Низколегированные С печью
Высоконикелевые жаропрочные с шаровидным графитом
* Время нагрева до температуры выдержки выбирают в зависимости от размеров и массы деталей
83
Механические свойства легированных чугунов со специальными свойствами являются факультативными, поэтому их проверяют, если это требование указано в технических условиях, периодически (табл. 35). Низкую теплопроводность λ высоколегированных чугунов, особенно хрупких кремнистых (ЧС 13-ЧС 17) и кремнистых износостойких с алюминием и хромом (ЧЮ6С5, ЧХ22С, ЧЮ7Х2) необходимо учитывать при выборе режимов нагрева и охлаждения отливок при их термообработке, охлаждении в форме, а также при определении температуры выбивки из форм. Шаровидная форма графита понижает теплопроводность λ примерно в 2 раза по сравнению с пластинчатой. Легирование чугуна и перевод углерода из графита в связанное состояние (цементит) приводят к резкому снижению λ (табл 36). Таблица 35 Механические свойства легированных чугунов (ГОСТ 7769–82) Марка 4Х1 4Х2 4Х3 ЧХЗТ ЧХ9Н5 4Х16 4Х16М2 4Х22 ЧХ22С 4Х28 ЧХ28П 4Х28Д2 4Х32 4С4МШ ЧС5 4С5Ш 4С13 ЧС15 4С17 ЧС15М4 ЧС17МЗ Ч10ХШ 4Ю6С5
84
Свойства отливок Жаростойкие То же Жаро- и износостойкие Износостойкие То же Жаро- и износостойкие Износостойкие То же Жаро- и износостойкие Жаро-, износо-, коррозионно-стойкие Стойкие в расплаве цинка Износо- и коррознонно стойкие Жаро-, износо- и коррозионно-стойкие Устойчивые к термосменам Жаростойкие То же Коррозионно-стойкие То же То же То же То же Жаростойкие Жаро- и износостойкие
σв, МПа 170 150 150 200 350 350 170 290 290 370
σизг МПа 350 310 310 400 700 700 490 540 540 560
207 – 286 207 – 286 228 – 364 440 – 590 490 – 610 400 – 450 490 – 610 330 – 610 215 – 340 215 – 270
200 390
400 690
240 – 390 390 – 640
390
490
245 – 340
290 210 170 140 140 100 590 240
200 – 290 140 – 300 228 – 300 290 – 390 290 – 390 390 – 450 390 – 450 390 – 450 187 – 364 235 – 300
300 150 290 100 60 40 60 60 390 120
НВ
Продолжение табл. 35 Марка 4107Х2 ЧЮ22Ш 4ЮЗО 4Г6СЭШ 47Х4 4Г8ДЗ' 4НХТ ЧНХМД ЧНХМДШ ЧНМШ 4Н2Х ЧНЗХМДШ 4Н4Х2
Свойства отливок То же То же То же Износостойкие То же Износостойкие, маломагнитные Коррозионно-стойкие (в ДВС) То же То же То же Износостойкие То же То же
НВ
σв, МПа 120 290 200 490 150 150
σизг МПа 170 390 350 680 330 330
240 – 286 241 – 364 364 – 550 219 – 259 390 – 450 176 – 285
280
430
201 – 286
290 600 490 290 550 200
690 490 400
201 – 286 270 – 320 183 – 286 215 – 280 350 – 550 400 – 650
Таблица 36 Теплопроводность чугунов Чугун
λ,Вт (м °С)
Ковкий (черносердечный)
62,5
Серый
58,6
Ковкий (белый)
46,0
ЧС5
37,6
Серый закаленный
33,5
4.2. Индивидуальное задание № 4 1. По заданным основным механическим характеристикам и размерам деталей выбрать конструкционный материал и подобрать его зарубежные аналоги (табл. 37). 2. По типоразмеру и конструкционному материалу выбрать способ получения исходной заготовки. 3. Назначить основной способ изготовления детали. 4. Рекомендовать и выбрать режимы необходимой обработки для придания оптимальных эксплуатационных свойств.
85
Таблица 37 Варианты индивидуальных заданий № варианта 1 2 3
Вид детали
Механические свойства детали σ в, МПа 250 1100 630
σ0,2, МПа 1000 400
δ, % >1 10 17
Размер детали
Марка материала, механические свойства детали
HB187-260 НВ 336-373 сталь 35, сталь 45 НВ 187-229
4 5 6
Болт шатунный Палец поршневой Шток поршневой
800 1200 800
680 1000 650
13 12 13
∅200 ∅150 сечение до 150мм ∅30 ∅40 ∅100
7
Вал распределительный
630
400
15
∅120
8
Вал передаточный
600
360
10
∅70
9
Шайба кулачковая
800
650
15
B=30
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Шестерня привода Клапан впускной Клапан выпускной Клапан выпускной Втулка цилиндровая Втулка цилиндровая Вал упорный Вал гребной Клапан выпускной Шестерня привода Шайба кулачковая Шток поршневой Палец поршневой
800 800 900 1200 250 200 950 800 850 650 800 800 1100
650 650 700 1000 800 600 700 400 650 600 950
13 13 10 12 >1 >1 15 15 10 15 13 15 15
B=50 ∅30 ∅75 ∅300 ∅400 ∅800 ∅300 ∅350 ∅50 B=40 B=60 ∅150 50∅
23 24 25 26 27 28
Поршень Поршень Крышка цилиндра Клапан выпускной Баллер руля Вал центробежного насоса
240 450 240 800 800
650 600
13 15
∅500 ∅700 ∅350 ∅50 ∅200 ∅35
86
Втулка цилиндровая Вал упорный Шатун тронкового двигателя
сталь 35 ХМ сталь 18 ХГТ сталь 40 Х НВ 250 сталь 38 ХМА НВ 187-229 сталь 40 Х НВ 174-217 сталь 20 Х HRA 70 сталь 40 ХН сталь 40 Х 40Х14Н14В2М сталь 20ХНФА НВ 174-240 НВ 168-220 сталь 35 НВ 310 сталь 30 НВ 125 сталь 40Х10С2М сталь 15Х НRA 70 сталь 40ХН сталь 30 НВ 179 сталь 12ХН3А поверхностная – НRC 58-60 сердцевина – НВ 250-270 НВ 170-241 04 24 НВ 187-255 В4 45 НВ 170-241 04 24 сталь 40ХНА сталь 35 НВ 187 сталь 20Х13
4.3. Порядок выполнения задания 1. Для вариантов задания, в которых приведены только механические свойства, необходимо выбрать марку конструкционного материала и его зарубежных аналогов, обеспечивающего указанные механические свойства (σв, σ0,2, δ, HB). Классифицировать выбранный либо заданный конструкционный материал по составу, назначению и структуре в равновесном состоянии. 2. Описать способ получения заготовки, исходя из выбранного конструкционного материала, механических свойств сердцевины детали и типоразмера детали. 3. Указать способ получения заданной детали, исходя из ее типоразмеров. 4. Исходя из заданной твердости сердцевины и поверхности детали, а также механических свойств сердцевины, назначить необходимую термическую или химико-термическую обработку. Привести график термической обработки заданной детали с указанием температур нагрева под каждый вид обработки, атмосферы печи и обозначением последующего охладителя. Привести схемы микроструктур материала детали в исходном состоянии и после каждого вида термической обработки. Для выполнения задания рекомендуется использовать следующую литературу: Пункт 1. Блинов И.С. Справочник технолога механосборочного цеха судоремонтного завода., Транспорт, 1979 (Глава 1); Гуляев А.П. Металловедение. М., Металлургия, 1986 (Глава ХV). Пункты 2, 3. Технология металлов и металловедение (под ред. Усовой Л.Ф.) М., Металлургия, 1987 (Раздел Ш, 1V, V, V1). Пункт 4. Гуляев А.П. Металловедение. М., Металлургия, 1986 (Глава Х1, Х11, Х111); Блинов И.С. Справочник технолога механосборочного цеха судоремонтного завода., Транспорт, 1979 (Глава 2). 4.4. Информационно-справочные данные Азотирование (nitriding) – ХТО с насыщением поверхностного слоя стали, чугуна и сплавов тугоплавких металлов азотом при температурах 500 – 120 °С. Азотирование в жидкой среде (liquid nitriding) – углеродоазотирование стали или чугуна при температуре 560 – 580 °С в расплаве, содержащем цианистые соли.
87
Газовое азотирование (gas nitriding) – низкотемпературное азотирование в среде частично диссоциированного аммиака; дополнительное введение азота, кислорода, углекислого газа и их смесей ускоряет процесс насыщения. Двухступенчатое азотирование (double-stage nitriding) – газовое азотирование, осуществляемое в два этапа: сначала при 500 – 520 °С, а затем при 540 – 600 °С, что позволяет резко сократить продолжительность процесса. Ионное азотирование (ionic nitriding) – азотирование поверхности насыщения (катод) ионами азота, ускоренными электростатическим полем; проводится при пониженном давлении, обеспечивающем поддержание тлеющего разряда; осуществляется в две стадии: очистка поверхности и собственно азотирование. Алитирование (aluminizing) – ХТО с диффузионным насыщением поверхности мнталлов и сплавов алюминием. Безэлектролизное алитирование (aluminizing without electrolysis) – жидкое алитирование без применения электрического тока в расплавах металлического алюминия, его солей и при наличии активирующих добавок. Алитирование в аэрозолях. (aerosol aluminizing) – алитирование с использованием в качестве насыщающей среды смеси порошков алюминия, хлористого натра и хлористого (или йодистого) аммония в соотношении 4:2:1 (8:2:1). Атмосфера (atmosphere) – газовая среда, в которой производится обработка материала. Активная атмосфера (active atmosphere) – атмосфера, реагирующая с находящимися в ней материалами. Восстановительная атмосфера (reducing atmosphere) – атмосфера, обеспечивающая восстановление оксидов металлов. Защитная атмосфера (protective atmosphere) – атмосфера, искусственно создаваемая для защиты металла от газовой коррозии. Контролируемая атмосфера. (controlled atmosphere) – атмосфера с заданными окислительными или восстановительными свойствами. Нейтральная атмосфера (neutral atmosphere) – атмосфера, не реагирующая с обрабатываемым материалом. Окислительная атмосфера (oxidizing atmosphere) – атмосфера, обеспечивающая окисление находящихся в ней материалов. Печная атмосфера (furnace atmosphere) – атмосфера в рабочем пространстве печи. Газовое алитированиe (gas aluminizing) – алитирование в среде диссоциации алюминийсодержащих органических и неорганических соединений; на завершающей стадии возможно проведение диффузионного отжига. Жидкое алитирование (liquid aluminizing) – алитирование путем выдержки изделий в ванне с расплавами алюминийсодержащих веществ. Алитирование методом металлизации (metallizing aluminizing) – алитирование путем напыления на поверхность изделия слоя алюминия толщиной
88
0,7 – 1,2 мм, покрываемого защитным слоем обмазки; в завершение проводится диффузионный отжиг. Электролизное алитирование (electrolysing aluminizing) – жидкое алитирование, осуществляемое электролизом алюминий содержащих соединений (обычно хлоридов алюминия) в присутствии активирующих добавок. Алюмохромирование (chrome aluminizing) – ХТО с одновременным насыщением поверхностного слоя сталей, никельхромовых, медных или титановых сплавов алюминием и хромом. Бериллизация (berillisation) – химический элемент, Be, с атомной массой 9,01; относится к группе легких металлов, tпл 1284 оС; основа многих цветных сплавов; используется для бериллизации стали. Биметалл (composite metal) – материал, состоящий из двух разнородных, прочно соединенных между собой металлов или сплавов. Борирование (boriding) – ХТО с насыщением поверхности металлов и сплавов бором для повышения износостойкости, твердости и коррозионной стойкости. Боросилицирование ( boron silicification) – ХТО, заключающаяся в совместном или последовательном насыщении поверхности металла бором и кремнием. Борохромирование (boron chromizing) – ХТО, заключающаяся в совместном насыщении металла бором и хромом. Ванна (bath) – расплавленная среда. Открытая емкость для жидкой среды. Ванна для термической обработки (thermal bath) – ванна с раствором или расплавом солей, металлов и т.п., в которой поддерживается постоянная температура и осуществляется изотермическая обработка металлов и сплавов. Соляная ванна (salt bath) – расплав солей для изотермической обработки изделий. Вапор (cylinder oil) – высоковязкое масло, используемое в качестве охлаждающей среды при мелкосерийном производстве изделий. Вдувание (injection) – процесс введения газов, жидкостей или порошков в токе газа в расплав металла или в печь. Вжигание Получение покрытия нагревом диспергированного материала с флюсом и связующим веществом, нанесенными на поверхность основного покрываемого материала. Волочение (drawing) – процесс пластической деформации металла, заключающийся в протягивании заготовки через отверстие волоки, размеры которого меньше размеров поперечного сечения заготовки. Воронение (oil blackening) – создание на поверхности стальных или чугунных изделий темно-синей или черной оксидной пленки с целью получения декоративного или защитного слоя. Выход годного (yield) – отношение массы готовых изделий к массе заготовок (исходных материалов), использованных для получения этих изделий. 89
Гальваностегия (galvanization) – метод нанесения тонких защитных или декоративных металлических покрытий с помощью электролитического осаждения. Гибка (bending) – формоизменяющая операция обработки металлов давлением, предназначенная для образования или изменения углов между частями заготовки, а также для придания заготовке криволинейной формы. Глубина прокаливаемости (depth of hardenability) – толщина поверхностного слоя изделия, в котором при закалке формируется структура мартенсита (или мартенсита с 50 % троостита). Hеобратимый дефект термической обработки (irreversible defect of thermal treatment) – комплекс нежелательных структурных и фазовых изменений при термическом воздействии, которые невозможно устранить повторной термической обработкой. Обратимый дефект термической обработки (reversible defect of thermal treatment) – комплекс нежелательных структурных и фазовых изменений при термическом воздействии, которые могут быть устранены повторной термической обработкой. Дрессировка (temper) – холодная прокатка с малыми обжатиями, обеспечивающая упрочнение поверхностного слоя металла без деформации внутренних слоев. Заусенец (fin) – зубец на поверхности или кромке заготовки или изделия, образовавшийся в процессе их получения или эксплуатации. Избыточный металл по периметру поковки, образовавшийся при штамповке в открытых штампах. Дефект проката в виде острого гребня, образовавшегося при резке металла. Карбюризация (carburizing) – введение жидкого топлива в пламя газообразного топлива с целью повышения светимости пламени за счет появления сажистых частиц при разложении жидкого топлива. ХТО с насыщением поверхностного слоя стальных изделий углеродом для повышения твердости и износостойкости; обычно сопровождается закалкой и отпуском. Карбюризатор (carburizer) – жидкая, твердая или газообразная среда с высоким углеродным потенциалом, в которой происходит насыщение поверхности стали углеродом. Топливо, вводимое в факел мартеновской печи для повышения его светимости. Катанка (rod) – круглый горячекатаный мелкосортный прокат диаметром 5–10 мм, преимущественно применяемый в качестве заготовки для холодного волочения. Клапан (valve) – устройство для управления расходом газа или жидкости путем изменения площади поперечного сечения. Коробление (warp) – искажение формы изделия вследствие действия внутренних напряжений, образующийся из-за неравномерной деформации по длине и ширине заготовки.
90
Литье (casting) – получение изделий путем заливки расплавленных материалов в литейную форму. Матированиe (mat finishing) – обработка поверхности металла механическим, химическим или электрохимическим способом, устраняющая способность поверхности к зеркальному отражению. Медненue (copperizing) – электролитическое нанесение тонкого слоя меди на металлические изделия при изготовлении биметаллов или для образования подслоя при последующей металлизации. Нанесение медного подсмазочного покрытия на металлические полуфабрикаты перед холодной деформацией, осуществляемое путем их погружения в водный раствор медного купороса и серной кислоты. ХТО, заключающаяся в насыщении поверхностного слоя металла или сплава медью с целью повышения коррозионной стойкости и электропроводности. Нагреватель (heater) – элемент печей и других нагревательных устройств, передающий теплоту обрабатываемому материалу. Наклеп (riveting) – изменение структуры и свойств металлов и сплавов в результате пластической деформации при частичном или полном подавлении рекристаллизации; сопровождается повышением твердости и прочности понижением пластичности и ударной вязкости. Упрочнение металлов и сплавов пластическим деформированием. Напыление (dusting) – нанесение защитных или декоративных покрытий распылением жидкого или измельченного твердого вещества струей сжатого газа или плазмы. Нитрозакалка ( nitride hardening) – совмещение азотирования с закалкой высокоуглеродистых сталей; азотирование ведется либо до, либо в процессе нагрева под закалку (в интервале 500 – 700 оС) и сопровождается обработкой холодом и низкотемпературным отпуском. Нитроцементация (nitride cementation) – ХТО с одновременным насыщением стали углеродом и азотом в газовой среде при температуре 850– 870оС. Обезжиривание (cleaning) – химическая или физическая очистка поверхности металла от технологической смазки или жировых загрязнений. Обезуглероживание (decarburizing) – процесс удаления углерода из жидкого или твердого металла. Дефект термической обработки, заключающийся в обеднении поверхностного слоя стали углеродом. Обработка восстановительная термическая (restoration thermal treatment) – термическая обработка, применяемая к деталям и элементам оборудования, подвергнутым эксплуатации, с целью частичной или полной регенерации структуры, залечивания микродефектов и восстановления служебных свойств материала. Восстановительная циклическая термическая обработка (ВЦТО) (restoration cyclic thermal treatment)) – ВТО, предполагающая многократное протекание полиморфного превращения; обеспечивает получение оптимальной
91
структуры, полное залечивание микродефектов в сильно поврежденном материале и полное восстановление его служебных свойств. Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) (highheat thermomechanical treatment) – ТМО в условиях стабильности высокотемпературной фазы с последующим охлаждением со скоростью выше критической; заключительная операция –отпуск или старение. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) (low-heat thermomechanical treatment) – ТМО в условиях метастабильности высокотемпературной фазы с последующим охлаждением со скоростью выше (или равной) критической; заключительная операция –отпуск или старение. Механико-термическая обработка (МТО) (mechanicothermal treatment) – Деформирование изделия после полного цикла термической обработки с небольшой степенью деформации (0,3 – 10 %) при одновременном или последующем нагреве до температур ниже температуры рекристаллизации. Предварительная термомеханическая обработка (ПТМО) (preliminary thermomechanical treatment) – ТМО с предварительным холодным деформированием, за которым следует полный цикл термической обработки (закалка и отпуск). Термомеханическая обработка (ТМО) (thermomechanical treatment) – совокупность операций пластического деформирования и термической обработки, в результате которых формируется повышенная плотность дефектов кристаллического строения металла или сплава, что приводит к повышению прочности. Отливка (casting) – заготовка или деталь, получаемая в литейной форме из жидкого металла, сплава, шлака и т.д. Пережог (burn) – необратимый дефект металла или сплава, заключающийся в окислении или оплавлении границ зерен в результате значительного превышения заданной температуры нагрева. Печь (oven) – огражденное от окружающего пространства устройство, в котором осуществляется получение теплоты из др. видов энергии и передача ее материалу, подвергаемому тепловой обработке. Индукционная печь (inductive oven) – электрическая печь с индукционным нагревом материала. Методическая печь (methodic (multizone)) – многозонная печь для нагрева заготовок перед обработкой давлением с постепенным повышением температуры по ходу движения заготовок. Муфельная печь (muffle) – термическая печь, в которой обрабатываемый материал защищен муфелем от контакта с атмосферой продуктов сгорания (топливная печь) или с воздухом (электрическая печь). Нагревательная печь (heating oven) – печь для нагрева металлических слитков или заготовок без изменения их агрегатного состояния перед обработкой давлением. 92
Печь периодического действия (cycling oven) – печь, работающая циклически, с переменным во времени температурным режимом. Садочная печь (charge oven) – нагревательная или термическая печь периодического действия, в которую обрабатываемый материал загружается единовременно. Термическая печь (thermal oven) – печь для термической или химикотермической обработки изделий. Тигельная печь (crucible oven) ––топливная печь для плавления или нагрева материалов в тиглях. Шахтная печь (shaft oven) – Плавильная или сырьевая печь с вытянутым вверх рабочим пространством круглой или прямоугольной формы с загрузкой сверху и выдачей готового продукта снизу. Термическая печь с вертикальным рабочим пространством с загрузкой и выгрузкой обрабатываемого металла через верх печи. Плакирование (plating) – нанесение на поверхность металлических изделий тонкого слоя другого металла или сплава с помощью горячей прокатки, горячего прессования или взрывом. Под (floor) – элемент конструкции печи, на котором располагаются материалы и изделия, подвергаемые тепловой обработке. Покрытие (skin) – слой или несколько слоев материала, определенного состава и структуры, искусственно создаваемые на покрываемой поверхности, служащие для функциональных и декоративных целей. Правка (correction) –формообразующая операция обработки металлов давлением, выполняемая с целью устранения или уменьшения дефектов формы металлических изделий или полуфабрикатов. Прокат (rolled products) – продукция прокатного производства в виде изделий из черных и цветных металлов и сплавов, полученных методом горячей, теплой или холодной прокатки. Прокатка (rolling) – процесс обработки металлов давлением путем обжатия между двумя или более прокатными валками с целью уменьшения поперечного сечения прокатываемой заготовки (слитка), увеличения ее длины и придания требуемой формы. Прокатка-ковка (rolling-forging) – процесс горячей периодической деформации металла с многосторонним обжатием, осуществляемый на стане шаговой прокатки путем воздействия на заготовку четырех профилированных бойков, расположенных попарно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и поочередно деформирующих металл в каждой из плоскостей. Режим (regime) – совокупность параметров реализации технологического процесса (длительность, температура, давление и пр.) Самоотпуск (selftempering) – отпуск стали, происходящий за счет теплоты, аккумулированной при закалке.
93
Серебрянка (silver brittleness) – круглая сталь диаметром 0,2-30 мм со специальной обработкой поверхности (шлифование, полирование) и повышенной точностью размеров. Синеломкость (blue brittleness) – снижение пластичности стали при одновременном повышении прочности, характерное для деформации при температурах возникновения синего цвета побежалости (200 – 300 °С. Слой (skin) Закаленный c. (hardened skin) – поверхностный слой материала, охлаждение которого с температуры закалки осуществлялось со скоростью выше критической. Полумартенситный c. (half martensite skin) –слой, структура которого состоит из 50 % мартенсита и 50 % троостита. Танталирование ХТО, заключающаяся в насыщении поверхностного слоя жаропрочных сплавов танталом при температуре 1000 – 1100 °С; проводится как промежуточная обработка с целью создания барьерного слоя препятствующего рассасыванию наносимого затем алитированного слоя. Термообработка (ТО) (thermal treatment) – совокупность операций теплового воздействия на материал с целью изменения его структуры и свойств в нужном направлении. Окончательная термообработка (end thermal treatment) – ТО, при которой создается структура, обеспечивающая требуемые свойства готового изделия. Поверхностная термообработка (surface thermal treatment) – ТО, осуществляемая за счет локального нагрева только поверхностного слоя материала. Предварительная термообработка (pretermal treatment) – ТО (отжиг или высокий отпуск) отливок и поковок, осуществляемая с целью гомогенизации, предотвращения образования дефектов (флокенов и трещин), а также для снижения твердости до уровня, обеспечивающего обработку резанием; предшествует окончательной термической обработке. Промежуточная термообработка (intermediate thermal treatment) – ТО, осуществляемая после холодного или горячего пластического деформирования перед следующим этапом холодного деформирования. Титанирование – нанесение покрытий из титана на поверхность металлических и неметаллических изделий. ХТО с насыщением поверхностного слоя титаном. Угар (waste) – потери металла в результате окисления при плавке или при нагреве. Упрочнение (hardening) – повышение прочности материала или изделия в результате технологического процесса или при эксплуатации. Объемное упрочнение (volumetric hardening) – упрочнение, достигаемое по всему сечению заготовки или изделия.
94
Поверхностное упрочнение (surface hardening) – упрочнение поверхностного слоя за счет изменения его состава или структуры. Структурное упрочнение (structural hardening) – упрочнение термически обработанных полуфабрикатов, обусловленное сохранением после закалки некристализованной структуры. Текстурное упрочнение (grain-oriented hardening) – упрочнение металла или сплава, обусловленное образованием в них текстуры и связанное с анизотропией свойств в кристаллических решетках. Термическое упрочнение (thermal hardening) – упрочнение, достигаемое одним способом термической обработки или совокупностью нескольких операций термической обработки. Циклическое упрочнение (cyclic hardening) – упрочнение под воздействием циклического нагружения. Усталость (fatigue) – процесс постепенного изменения сплошности, структуры и свойств материала под воздействием циклически изменяющихся напряжений и деформаций, приводящий к его разрушению. Контактная усталость (contact fatigue) – усталость, при которой накопление повреждений или разрушение происходит под действием переменных контактных напряжений. Коррозионная усталость (corrosion fatigue) – усталость в условиях одновременных воздействий циклических нагрузок и коррозионной среды. Малоцикловая усталость (low-cyclic fatigue) – усталость, при которой накопление повреждений или разрушение происходит при упругопластическом деформировании (как правило, после числа циклов менее 10 – 100 тыс.). Ударная усталость (shock fatigue) – усталость, вызванная циклическими ударными нагрузками. Хрупкость.(brittleness) – способность материала разрушаться при незначительной пластической деформации вследствие низкой энергоемкости процесса разрушения. Цинкование (galvanizing) – нанесение цинкового покрытия на поверхность металлического изделия. ХТО с насыщением поверхности стальных изделий цинком при 300 – 550 °C. Штамповка (forging) – способ обработки металлов давлением, при котором формообразование металла осуществляется в результате пластического деформирования в полостях штампа при взаимодействии его частей под действием внешних сил. Изделие, изготовленное штамповкой. Горячая штамповка (hot forging) – штамповка с предварительным нагревом заготовки до температуры выше температуры рекристаллизации. Закрытая штамповка. (closed die forging) – штамповка в закрытых штампах без образования облоя по периметру поковки. Листовая штамповка (sheet forming) – штамповка с использованием в качестве заготовки листового проката.
95
Объемная штамповка (die forging) – штамповка с использованием в качестве заготовки мерной части сортового проката круглого, квадратного или прямоугольного профиля.. Открытая штамповка (open die forging) – штамповка в открытых штампах с образованием заусенцев по периметру поковки. Холодная штамповка (cold forging) – штамповка без предварительного нагрева заготовки, осуществляемая при температуре ниже температуры рекристаллизации.
4.6. Компьютерная поддержка выполнения задания Компьютерные информационные ресурсы по теме “Зарубежные аналоги отечественных конструкционных металлических материалов” включают в себя конспекты лекций, домашние задания и контрольные вопросы. Эти данные доступны через локальную информационную сеть ДВГМА. Доступ осуществляется с помощью Intranet – локального аналога сети Internet. Для получения доступа, необходимо прежде всего, подключиться к сети Internet. Для этого на рабочем столе (дисплее) компьютера установить указатель мыши на пиктограмму изображенную на рис. 25 и щелкнуть левой кнопкой мыши два раза. Произойдет загрузка Webпроводника, который позволяет перемещаться по Web-сети и получать доступ к ее информационновычислительным ресурсам. Главное окно Webпроводника показано на рис. 26. Вторая строка окна содержит главное меню, Рис.25. Пиктограмма включающее 6 групп функций, обеспечивающих досInternet туп к широкому набору функций и опций, управляющих режимом работы с проводником. Третья строка содержит пиктограммы функций главного меню, наиболее часто используемых при работе с проводником и обеспечивающие к ним более оперативный подход. Четвертая строка (адресная) идентифицирует адрес текущей Web-страницы, визуализируемой в окне просмотра, расположенном ниже. Для перехода на новую Web-страницу достаточно в свободное место адресной строки просто ввести ее URL-адрес и нажать клавишу Enter. Адрес кафедры “Технология материалов” – http://seagate:8080/intranet/div/dep/tm /index.html. Эту же операцию можно выполнить посредством загрузки домашней страницы ДВГМА с последующим последовательным движением по меткам на страницах. Текстовые метки на страницах подчеркнуты и выделены цветом. После загрузки главного окна Web-проводника в окне просмотра будет содержаться домашняя страница ДВГМА. В этой странице необходимо найти метку Подразделения и щелчком мыши перейти на эту страницу. Затем перейти на страницу с меткой Кафедры и далее через метку Технология материалов к компьютерным ресурсам кафедры. Далее используя мет96
ки на Web-страницах можно переходить на другие страницы и возвращаться на предыдущие.
Рис. 26. Главное окно MS Internet Explorer
Представленную информацию на Web-страницах можно копировать на дискету или выводить непосредственно на печать для получения твердой копии. Для этого нужно активизировать во второй строке меню проводника Файл, Сохранить как. В диалоговом окне Сохранение документа HTML необходимо указать место для сохранения копии и расширение файла. В данном случае нужно указать расширение txt. Копию этого файла можно загружать в редакторы DOS и Windows. Здесь следует обратить внимание на то, что в файле с расширением txt не сохраняются рисунки, графики и таблицы. Для получения полной копии следует выделить с помощью мыши необходимую область страницы и сохранить в буфере нажатием клавиш Ctr+С или через меню Правка, Копировать. Затем раскрыть редактор MS Word и вызвать содержимое из буфера нажатием клавиш Ctr+M или через меню Правка, Вставить. Для вывода информации на печать необходимо активизировать меню Файл, Печать. Затем в раскрывшемся диалоговом окне Печать нажать кнопку ОК. Если на печать выводится выделенная часть текста, выделенный рисунок или таблица, то нужно активизировать флажок Выделенный фрагмент. 97
4.7. Контрольные вопросы, задания 1. В соответствии с каким стандартом маркируется сплав “Fe360-A”, какому отечественному аналогу он соответствует? 2. По каким параметрам подбирают зарубежные аналоги углеродистой стали обыкновенного качества? 3. Каким образом изменяются механические свойства при термическом упрочнении листового проката из углеродистых сталей обыкновенного качества? 4. Каким видам обработки подвергают углеродистую качественную конструкционную сталь? 5. В какой стране сплавы маркируются в соответствии со стандартом DIN? 6.Какие общие закономерности прослеживаются в системах маркировки конструкционных легированных сталей разных стран? 7. Какие принципы заложены в основу стандартизации серых чугунов? 8. Дайте сравнительную характеристику комплекса физикомеханических, технологических и эксплуатационных свойств чугуна с шаровидным графитом по сравнению с другими конструкционными материалами. 9. В соответствии с каким стандартом маркируется сплав “FCD 400”, какому отечественному аналогу он соответствует? 10. Каким образом оценивается форма графита в чугуне в национальных стандартах разных стран? 11. Что Вы знаете о “принципе безопасного повреждения” конструкции? 12. Как отличить чугун с вермикулярным графитом от серого? 13. Назовите области применения ЧВГ. 14. Каким образом маркируют легированные чугуны в России? 15. Расшифруйте марку легированного чугуна “L – NiMn 13 7”. 16. Какую термическую обработку обычно проводят для отливок из легированного чугуна? 17. Каким образом влияет форма графита на теплопроводность чугуна? 18. В каких случаях необходимо учитывать низкую теплопроводность легированных кремнистых чугунов? Каким недостатком они обладают? 19. К какому структурному классу относится сплав “20Х”, назовите его зарубежные аналоги. 20. Пользуясь таблицей 34 подберите термическую обработку для высоколегированного чугуна для улучшения его обрабатываемости резанием.
98
Глава 5 ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ 5.1. Теоретические сведения Индивидуальные задания, выполняемые студентами при изучении курса “Материаловедение и ТКМ” представляют собой совокупность конструкторских документов, выполняемых на бумаге формата А4: графических (чертежи, схемы) и текстовых (пояснительная записка, спецификации). Графические документы также могут содержать текстовую часть. Правила, порядок разработки и оформления конструкторских документов регламентированы комплексом стандартов Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и распространяются на все виды изделий машиностроения и приборостроения. Ниже приводится перечень стандартов, которые могут быть использованы при оформлении заданий. ПЕРЕЧЕНЬ СТАНДАРТОВ ГОСТ 2.001-93 ЕСКД. ГОСТ 2.004–88 ЕСКД. ройствах вывода ЭВМ ГОСТ 2.101-68 ЕСКД. ГОСТ 2.102–68 ЕСКД. ГОСТ 2.103-68 ЕСКД. ГОСТ 2.104-68 ЕСКД. ГОСТ 2.105–95 ЕСКД. ГОСТ 2.106-68 ЕСКД. ГОСТ 2.108-68 ЕСКД. ГОСТ 2.109–73 ЕСКД. ГОСТ 2.118-73 ЕСКД. ГОСТ 2.119–73 ЕСКД. ГОСТ 2.120-73 ЕСКД. ГОСТ 2.201–80 ЕСКД. ГОСТ 2.307–68 ЕСКД. ГОСТ 2.310–68 ЕСКД. ГОСТ 2.316–68 ЕСКД ГОСТ 2.321-84 ЕСКД. ГОСТ 2.701–84 ЕСКД. ГОСТ 8.417–81.
Общие положения Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устВиды изделий Виды и комплектность конструкторских документов Стадии разработки Основные надписи Общие требования к текстовым документам Текстовые документы Спецификация Основные требования к чертежам Техническое предложение Эскизный проект Технический проект Обозначения изделий и конструкторских документов Нанесение размеров и предельных отклонений Нанесение на чертежах обозначений покрытий, термической и других видов обработки Правила нанесения на чертежах надписей, технических требований и таблиц Обозначения буквенные Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению Единицы физических величин
В учебных проектах конструкторские документы обозначают по установленной в вузе системе обозначений эскизных документов. Структура обозначения приведена на рис. 25 (номера полей указаны в скобках): 99
в поле 1 записывают условный код, сформированный из обозначения технического задания (например, Рис. 25. Структура обозначения документа “М и ТКМ 1–7” где М и ТКМ – название дисциплины, 1 – номер индивидуального задания, 7 – номер варианта. в поле 2 записывают порядковый номер от 1 до 9 основной сборочной единицы, входящей в состав изделия; в поле 3 записывают порядковый номер от 1 до 9 сборочной единицы, входящей и состав основной сборочной единицы и обозначенной в поле 2; в поле 4 записывают от 11 до 99 обозначение чертежа детали. В обозначении конструкторских документов между полями 1 и 2, 3 и. 4 ставят разделительные точки (рис. 27). Если документу присвоен код, то правее поля 4 приводят его обозначение. Основную надпись располагают в правом нижнем углу документа. На листах формата А4 по ГОСТ 2.301–68 – вдоль короткой стороны; на других форматах – вдоль длинной стороны листа. Основная надпись чертежей, схем и текстовых конструкторских документов представлена на рис.26. В графах основных надписей (номера граф на рис. 28 указаны в скобках) приводят: 1 – наименование изделия, например “Колесо зубчатое”, 2 – обозначение документа – “М и ТКМ 1-7”, 3 – обозначение по стандарту материала детали – “Сталь 25Х ГОСТ 4543 71”, 4 – литеру документа – “У” учебная, 5 – массу изделия в килограммах, 6 – масштаб (1:1), 7 – порядковый номер листа, 8 – общее количество листов документа, 9 – сокращенное название вуза, кафедры, шифр группы “ДВГМА им. адм. Г.И. Невельского, кафедра “Технология материалов”, группа 661”, 10, 11, 12 – в строке “Разраб.” – фамилию курсанта, его подпись и дату, в строке “Пров.” – фамилию преподавателя, его подпись и дату, графы 14–18 в учебных документах не заполняют. Пояснительная записка к индивидуальному заданию относится к текстовым документам. Учебные текстовые документы необходимо выполнять либо рукописным способом с четким и ясным написанием цифр и букв черными чернилами, пастой или тушью, либо с применением печатающих и графических устройств вывода ЭВМ. Допускается часть информации (текст, таблицы, рисунки, чертежи) выполнять любым сочетанием этих способов. Опечатки, описки и графические неточности исправляют подчисткой или закрашиванием белой краской и нанесением на то же место исправленного текста (графики). Расстояние от рамки до границ текста в начале и конце строк – не менее 3 мм; от верхней или нижней строки текста до верхней или нижней рамки не менее 10 мм. Абзацы в тексте начинают отступом 15–17 мм. 100
185 50
15
70
14 (15) Изм Лист
(16) № докум.
(17)
(18)
Подп. Дата
Разраб. Пров. Т.контр
(10)
(1) (11)
(12) (13)
(4)
Лит. Лист Листов 5 5 5 17 18 (5) (6) Лист (5) Листов (8) 20
(3)
Н.контр Утв.
(9)
15
11х5=55
(2)
5
15
15
23
5
7 10
10
а) 185
Разраб. Пров.
(10) Н.контр Утв.
10
70
(2)
(17) (18) Подп.
50
15
(16) № докум.
15
Дата
Лит. Лист Листов (7) (8) 5 5 5 15 20
4
(11)
(12) (13)
(1)
(9)
5 5
8х5=40
14 (15) Изм Лист
23
15
7 10
б) 185 7
(2) (3) Изм Лист
7
(5) № докум.
7
110
(6)
(7)
(5)
Подп.
Дата
10 Лист
(8)
8 7
3х5=15
7
7
в) Рис. 26. Основные надписи: а) для чертежей и схем; б) для текстовых конструкторских документов (первый или заглавный лист); в) для чертежей, схем и текстовых конструкторских документов
Изложение текста должно быть четким, кратким, терминология и определения соответствовать терминам, установленным стандартами, а при их отсутствии – общепринятым в научно-технической литературе. Иллюстрации располагают или по тексту (возможно ближе к соответствующей части текста), или в конце в виде приложений. Если рисунок один, то его обозначают “Рисунок 1”; если иллюстраций несколько, то их нумеруют арабскими цифрами в пределах всего документа. Ссылки на иллюстрации дают по типу: “...в соответствии с рисунком 2”. При изображении графиков наносят надписи по осям координат. Надписи должны содержать только принятые в тексте буквенные обозначения параметров без их расшифровки. Для пояснения только характера изменения 101
функции возможно выполнение графика без приведения цифровых обозначений на осях координат. Таблицы применяют для лучшей наглядности и удобства сравнения показателей. Над левым верхним углом помещают слово “Таблица 1” с указанием порядкового номера. Таблицы нумеруют арабскими цифрами сквозной нумерацией. Название таблицы, при его наличии, должно отражать ее содержание, быть точным и кратким. Название следует помещать над таблицей. Таблицу, в зависимости от ее размера, помещают под текстом, в котором впервые дана ссылка на нее, или на следующей странице. Пояснительную записку выполняют на листах формата А4 черными чернилами, пастой, по форме, представленной на рис. 27 (заглавный лист). В состав пояснительной записки входят титульный лист, содержание, техническое задание, основной текст, список использованных источников и приложения. Титульный лист является первым листом документа. В поле 1 (рис.27) записывают наименование заведения, в поле 2 – наименование кафедры, разработавшей данный документ. В поле 3 записывают наименование изделия (заглавными буквами), в поле 1 4 – наименование документа, на кото2 рый составлен титульный лист. В поле 5 приводят обозначение до3 кумента (заглавными буквами). В поле 6 – подписи разработчиков 4 документа. В учебном документе – фа5 милию, имя и отчество курсанта, индекс учебной группы, а также фамилию, имя, отчество руководителя проекта. В поле 7 записывают год выполне6 ния документа. Содержание. В содержании перечисляют заголовки всех разделов и подразделов с указанием номеров страниц, 7 на которых помещены эти заголовки. Слово “Содержание” записывают Рис. 27. Структура титульного листа симметрично относительно текста. Техническое задание содержит исходные данные, специальные требования, дату выдачи и объем задания с подписью преподавателя и исполнителя. Бланк помещают после листов содержания. Чертеж детали. В основной надписи чертежа детали указывают материал. Обозначение материала должно содержать его наименование, марку и номер стандарта или технических условий. Например: “Сталь 45 ГОСТ 1050–94. 102
В табл. 38 приведен перечень стандартов на основные материалы. Таблица 38 ПЕРЕЧЕНЬ СТАНДАРТОВ НА ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЕТАЛЕЙ Материал
Марка
ГОСТ
Сталь углеродистая обыкновенного качества
СтО, Ст2, СтЗ, Ст5
380–88
Сталь углеродистая качественная Сталь рессорно-пружинная углеродистая и легированная Сталь легированная конструкционная
10, 15, 20, 30, 35, 45, 50 65, 70, 60Г, б5Г, 60С2, 50ХФЛ 20Х, 35Х, 40Х, 18ХГТ, 35ХГФ, 20ХН40ХН, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, ЗОХГСА, 38Х2МЮА 20Х13, 12Х18Н9Т 25Л, ЗОЛ, 35Л, 40Л, 35ГЛ, 40ХЛ, 20ХМА
1050–88 14959–79
СЧ15, СЧ20, СЧ25 АК9ч (АЛ4), АК5М (АЛ5), АК7 (ЛЛ7 БрОЮФ1, Бр05Ц5С5, БрО6Ц6СЗ БрА9ЖЗЛ, БрА10ЖЗМц2, БрА10Ж4НЛ ЛЦ23АбЖЗМц2, ЛЦ40МцЗЖ АМС, МБС
1412-85 1583-93 (2685-75) 613–79
А ПТК, ПТ
9347–74 5–78
Сталь высоколегированная Сталь литейная конструкционная Чугун Сплав алюминиевый Бронза оловянная Бронза безоловянная Латунь Резина техническая атмосферостойкая и маслобензостойкая Картон прокладочный Текстолит конструкционный
4543–71
5632-72 977–88
493–79 17711-93 7338–90
Если в условное обозначение входит сокращенное наименование материала – "Ст|", "СЧ", "Бр", то полное наименование – "Сталь", "Серый чугун", "Бронза" не указывают, например: "СтЗ ГОСТ 380-90" Если деталь должна быть изготовлена из сортового материала определенною профиля и размера, то материал такой детали записывают в соответствии с присвоенным ему в стандарте на сортамент обозначением, например: 80 − ВГОСТ2590 − 88 К р уг 35 − аГОСТ1050 − 90
Полоса
5 × 5 − 2 − 2 ГОСТ103 − 76 45 − бГОСТ1050 − 88
103
Условное обозначение проката должно соответствовать схеме, приведенной на рис. 28. Вид поперечного сечения проката - круг квадрат, шестигранник полоса, профиль Точность изготовления проеата Серповидность Кривизна отклонения от плоскости Размеры проката Номер стандарта на сортамент Марка стали Группа качества поверхности Механические свойства Твердость Дополнительные требования Состояние проката (термически обработанное, нагортованное, без термической обработки Х Х Х Х Х ГОСТ Х Х Х Х Х Х
ГОСТ 1050 - 88
Рис. 28. Условное обозначение проката
В конструкторской документации допускается приводить примеры условных обозначений в соответствии со схемой, представленной на рис. 29. Вид поперечного сечения проката - круг квадрат, шестигранник полоса, профиль Точность изготовления проеата Серповидность Кривизна отклонения от плоскости Размеры проката Номер стандарта на сортамент Х Х Х Х
Х Х
Х
Х
Х
Х
Х
ГОСТ Х ГОСТ 1050 - 88 Состояние проката (термически обработанное, нагортованное, без термической обработки Дополнительные требования Твердость Механические свойства Группа качества поверхности Марка стали
Рис. 29. Условное обозначение проката в конструкторской документации
Пример условных обозначений, которые допускается приводить в конструкторской документации: прокат со специальной отделкой поверхности, круглый, с полем допуска hll, номерной длины (НД), диаметром 8 мм, качеством поверхности группы В 104
по ГОСТ 14955– 77, из стали марки 20, с механическими свойствами по (М2), с твердостью, нагартованный (НГ): hll − НД − 8ГОСТ14955 − 77 . К р уг 20 − В − М 2 − ТВ3 − НГ.ГОСТ1050 − 88 На чертеже детали не следует помещать технологические указания. В виде исключения допускается: – указывать способы изготовления и контроля. если они являются единственными гарантирующими требуемое качество изделия, например: совместная обработка, совместная гибка и т.д.; – давать указания по выбору вида технологической заготовки (отливки, поковки); – указывать определенный технологический прием. гарантирующий обеспечение отдельных технических требований к изделию, которые невозможно выразить объективными показателями или величинами, например, процесс старения, вакуумная пропитка, технология склеивания, способ контроля. Ниже приведены технические требования, наиболее часто указываемые на чертежах деталей. Требовании к заготовке, термической обработке. Правила нанесения на чертежах указаний о термической и химико-термической обработке, обеспечивающей получение необходимых свойств материала детали, установлены ГОСТ 2.310-68. Например, в технических требованиях на чертеже литого корпуса коробки передач (редуктора) из серого чугуна записывают:
"1 Отливку подвергнуть старению. 2 Формовочные уклоны по ГОСТ 3212 92. 3 Неуказанные литейные радиусы 5 мм". Если всю деталь подвергают термообработке одного вида, то в технических требованиях чертежа приводят требуемые показатели свойств материала предельными значениями "от ... до", например: "235...265 НВ"; "44...50 НRСэ"; "ТВЧ М,6...2,0 мм; 50...56 НRСэ"; "Цементировать h10,8...1,2 мм (или h = 0,8...1,2 мм) 56...62 НRСэ". Буквой h обозначена глубина обработки. Если всю деталь подвергают одному виду термообработки, а некоторые ее части другому или оставляют без обработки, в технических требованиях делают запись но типу: "56...62 НRСэ, кроме места, обозначенного особо"; "40...45 НRСэ, кроме поверхности А". Требования к качеству поверхностей (указания об отделке, покрытий, шероховатости), например: " Размеры и шероховатость поверхности после покрытия" 105
5.2. Терминологический справочник
Виды изделий Details –Под изделием понимают любую продукцию, изготовляемую по конструкторской документации. В учебном проектировании используют следующие виды изделий из перечня, установленного ГОСТ 2.101-68: детали; сборочные единицы; комплексы. Изделия, в зависимости от наличия или отсутствия в них составных частей, делят на: – неспецифицированные (детали) – не имеющие составных частей; – специфицированные (сборочные единицы, комплексы) – состоящие из двух и более составных частей. Деталь Part – изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций, например: вал из одного куска металла, литой корпус, уголок из биметаллической ленты. К деталям относят также перечисленные изделия с покрытиями (вал, подвергнутый хромированию) или изготовленные из одного куска материала с применением местной сварки, пайки, склейки (трубка, спаянная из одного куска листового материала). Документы Documents в зависимости от стадии разработки подразделяют на проектные design plans and specification (техническое предложение, эскизный проект и технический проект) и рабочие production forms and records (рабочая документация на деталь, сборочную единицу). Документы, предназначенные для разового использования в производстве (документы макетов, стендов для лабораторных испытаний) допускается выполнять в виде эскизных конструкторских документов. Сборочная единица assembly unit – изделие, составные части которого соединяют между собой. Например: редуктор, коробка передач, вариатор, сварной корпус. К сборочным единицам относят также изделия, для которых* конструкцией предусмотрена разборка их на составные части предприятиемизготовителем, например, для удобства упаковки и транспортирования. Комплекс complex – два и более специфицированных изделия, не соединенные на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенные для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций. Например, гибкие комплексы механообработки (гибкие производственные системы): совокупность станков с ЧПУ, объединенных автоматизированными транспортно-складскими системами, и управляемых единой системой управления на базе микро- и мини-ЭВМ. Различают также покупные изделия, к которым относят изделия, не изготавливаемые на данном предприятии, а получаемые им в готовом виде (за исключением получаемых в порядке кооперирования). Конструкторский документ design document К конструкторским документам (именуемым в дальнейшем словом "документ") относят графические и текстовые документы, которые в отдельности или в совокупности определяют состав и устройство изделия и содержат необходимые данные для его разработки или изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта. 106
К основным конструкторским документам относят The main design documents are: для деталей – чертеж детали detail drawing; для сборочной единицы или комплекса – спецификацию specification. Схема diagram – документ, на котором показаны в виде условных изображений или обозначений составные части изделия и связи между ними. Номенклатура различных видов схем и их обозначений установлена ГОСТ 2.701-84. Спецификация specification – документ, определяющий состав сборочной единицы или комплекса. Пояснительная запискa instruction manual – документ, содержащий описание устройства и принципа действий разрабатываемого изделия, а также обоснования принятых при его разработке технических и техникоэкономических решений, сопровождаемые необходимыми расчетами. Техническое предложение technical manual – совокупность документов, дополняющих и уточняющих требования к проектируемому изделию (технические характеристики, показатели качества и др.), которые не могли быть указаны в техническом задании, но которые целесообразно сделать на основе предварительной конструкторской проработки и анализа различных вариантов возможных решений изделия. Техническое предложение – основание для разработки эскизного и технического проекта. Эскизный проект conceptual design – совокупность документов, содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия. Эскизный проект служит основанием для разработки технического проекта или рабочей документации. Технический проект detail project – совокупность документов, содержащих окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия и исходные данные для разработки рабочей конструкторской документации. Чертеж детали detail drawing – документ, содержащий изображение детали и другие данные, необходимые для ее изготовления и контроля. Сборочный чертеж assembly drawing – документ, содержащий изображение сборочной единицы и другие данные, необходимые для ее сборки (изготовления) и контроля. Чертеж общего вида general assembly – документ, определяющий конструкцию изделия, взаимодействие его составных частей и поясняющий принцип работы изделия. В учебном проектировании чертеж общего вида включает элементы "Теоретического чертежа" lines drawing, определяющего геометрическую форму изделия и координаты расположения составных частей; а также элементы "Габаритного чертежа" outline drawing, содержащего контурное (упрощенное) изображение изделия с габаритными, установочными и присоединительными размерами, и "Монтажного чертежа" assembly drawing, содержащего данные для установки изделия на месте применения.
107
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Агеева Г.Н., Журавлева Н.С., Корольков Г.А. Металловедение и термическая обработка. – М.: МИСиС, 1984. – 136 с. Блинов И.С. Справочник технолога механосборочного цеха судоремонтного завода. – М.: Транспорт, 1979. – 703 с. Конструкционные материалы: Справочник/Под. ред. Арзамасова Б.Н. – М.: Машиностроение, 1990. – 687 с. Марочник сталей и сплавов – Под ред. В.Г. Сорокина – М.: Машиностроение, 1989. – 634 с. Медународный транслятор современных сталей и сплавов – Под. ред. В.С. Кершенбаума. – М.:. ИНТАК, 1992. – 623 с. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография. – М.: “МИСИС”, 1994. – 480 с.
108
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Глава 1. Основы теории сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Основные теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Независимые термодинамические переменные . . . . . . . . . . . . 1.1.2. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состояниях (эвтектический тип) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Компьютерная поддержка выполнения задания . . . . . . . . . . . . 1.3. Индивидуальное задание № 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Варианты задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2. Порядок выполнения задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3. Контрольные вопросы для защиты задания . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Информационно-справочные данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Глава 2. Железоуглеродистые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Диаграмма системы Fe–FeзС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Характеристика чистых компонентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Основные фазы, их строение и свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Линии, точки, концентрации, температуры . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Горизонтальные линии диаграммы . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 2.1.5. Кристаллизация и формирование структуры сплавов . . . . . . 2.2. Компьютерная поддержка выполнения индивидуального задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Инструкция пользователя программы Stract.exe . . . . . . . . . . . 2.3. Индивидуальное задание № 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Варианты задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Порядок выполнения задания. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 2.6. Контрольные вопросы для защиты задания . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Информационно-справочные данные . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . Глава 3. Основы термической обработки углеродистых сталей . . . . . . . . 3.1. Краткие теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Отжиг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Закалка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Отпуск . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Компьютерная поддержка выполнения задания . . . . . . . . . . . . 3.3. Индивидуальное задание № 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Порядок выполнения задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 4 4 4 5
8 14 16 16 18 18 19 26 26 26 28 29 31 31 38 39 40 40 41 41 42 44 44 44 48 51 53 56 56 109
3.4. Контрольные вопросы для защиты задания . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5. Информационно-справочные данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Глава 4. Зарубежные аналоги отечественных конструкционных металлических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1. Краткие теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.1. Марки зарубежных аналогов углеродистой стали обыкновенного качества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2. Углеродистая качественная конструкционная сталь . . . . . . . 62 4.1.3. Маркировка конструкционных легированных сталей в национальных в стандартах разных стран . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.1.4. Чугун с пластически графитом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.1.5. Чугун с шаровидным графитом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.1.6. Чугуны с вермикулярным графитом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.1.7. Отливки из легированного чугуна со специальными свойствами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2. Индивидуальное задание № 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3. Порядок выполнения задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.4. Информационно-справочные данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.5. Компьютерная поддержка выполнения задания . . . . . . . . . . . . 96 4.6. Контрольные вопросы задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Глава 5. Правила оформления индивидуальных заданий . . . . . . . . . . . . . 99 5.1. Теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2. Терминологический справочник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
110
Позиция № 176 в плане издания учебной литературы ДВГМА на 1998 г.
Галина Борисовна Кривошеева Валентин Васильевич Тарасов Анатолий Петрович Герасимов МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Учебное пособие Компьютерная верстка: А.П. Герасимова, Г.Б. Кривошеевой Лицензия ЛР № 021060 от 19.06.96 5,5 уч.-изд.л. Тираж 100 экз.
Формат 60×84 1/16 Заказ № 852
Отпечатано в типографии ДВГМА им. адм. Г.И. Невельского 690059, Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а