Вычертить график термической (химико-термической) с указанием температур нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения стальной детали

Введение

Материаловедение изучает закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки, и является одной из основных дисциплин, определяющих подготовки инженеров-машиностроителей.

Несмотря на все более широкое использование неметаллических материалов, металлы и сплавы останутся и в ближайшем будущем основным конструкционным и инструментальным материалом. В последнее время широкое применение нашли композиционные материалы на основе металлов, полимеров и керамики.

Теория термической обработки является частью металловедения. Главное в металловедении это учение о связи между строением и технически важными свойствами металлов и сплавов. при нагреве их охлаждении изменяется структура металлического материала, что обусловливаем изменение механических, физических и химических свойств и влияет на его повеление при обработке и эксплуатации.

1. Расшифруйте марку стали Ст3Г, укажите температуру критических точек, химический состав, механические свойства, назначение стали

Сталь конструкционная углеродистая, обыкновенного качества. По ГОСТ 27772-88 сталь Ст3Г соответствует стали для строительных конструкций С255 и С285

Температура критических точек, °С

Химический состав

в %

Назначение стали марки Ст3Г

Сталь используется для несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках при температуре от -20 до 425 град.

2. Вычертите диаграмму состояния Fe-Fe₃C и нанесите вертикальную линию, соответствующую содержанию углерода в стали

Рисунок 1 :Диаграмма состояния системы железо-цементит

Линия АВСD — линия ликвидус, линия AHJECF — солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1 536ºС), точка D — температура плавления цементита (1 252ºС). Точки N и G соответствуют температурам полиморфного превращения железа.

В системе Fe-Fe₃C на разных ярусах происходят эвтектичекое и эвтектоидное превращения. По линии ECF при температуре 1 147ºС происходит эвтектическое превращение: Ж_С ↔ А_Е + Ц_F. Образующаяся эвтектика называется ледебуритом.

Ледебурит (Л) — механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода.

По линии PSK при температуре 727ºС происходит эвтектоидное превращение: А_С ↔ Ф_Р + Ц_К, в результате которого из аустенита, содержащего 0,8% углерода, образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации эвтектики, но не из жидкого, а из твердого раствора. Образующийся эвтектоид называется перлитом.

Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на травленном шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название — перлит. Зерно перлита состоит из параллельных пластинок цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

Аустенит, входящий в состав ледебурита, при температуре 727ºС также испытывает эвтектоидное превращение. Поэтому ниже температуры 727ºС ледебурит состоит из механической смеси перлита и цементита.

3. Опишите структурные превращения при нагреве и охлаждении стали

Рисунок 2: Кривая охлаждения с содержанием углерода 0,20 %

Сталь эвтектоидная с содержанием 0,8 % углерода. При нагреве до Ас₁ (727 °С) превращений нет, и сталь имеет перлитную структуру. При Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ac₁ до начала плавления сталь имеет аустенитную структуру. При температуре солидуса (для этой стали tc²) начинается плавление аустенита. От tc² до tл² (температура ликвидуса) проис­ходит плавление, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше tл² сталь находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл² сталь находится в жидком сос­тоянии. При tл² начинается кристаллизация аустенита. От tл² до tс² происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл² до Ar₁ (727 °С) сталь состоит из аустенита. При Ar₁ происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar₁ сталь имеет структуру перлита

4. Выбрать способ термической обработки стали для получения твердости поверхностного слоя более 60 НRC

Нормализация (нормализационный отжиг) — вид термической обработки стали.

При нормализации доэвтектоидные стали нагреваются до температуры на 50 °C выше критической точки завершения превращения избыточного феррита в аустенитA_C3, а заэвтэктоидные до температуры на 50 °C выше точки завершения превращения избыточного цементита в аустенит A_cт. Нагревание ведется до полной перекристаллизации. Охлаждение производится на воздухе в цехе. В результате сталь приобретает мелкозернистую, однородную структуру. Твердость, прочность стали после нормализации выше на 10-15 %, чем после отжига^[1].

Структура низкоуглеродистой стали после нормализации феррито - перлитная, такая же, как и после отжига, а у средне- и высокоуглеродистой стали — сорбитная. В некоторых случаях нормализация может заменить для низкоуглеродистой стали отжиг, а для высокоуглеродистой — закалку с высоким отпуском. Часто нормализацию используют для подготовки стали к закалке. Нормализация обеспечивает большую производительность и лучшее качество поверхности при обработке резанием

Для получение максимальной HRC для деталей стали марки Ст3Г

рекомендуется выполнить закалку и отпуск .

Вычертить график термической (химико-термической) с указанием температур нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения стальной детали

(График термической обработки )

6. Опишите предполагаемую структуру стали после термической (химико-термической) обработки

Структура сталей, содержащих больше 0,8% углерода, состоит из зерен перлита и зерен цементита. Сталь Ст3Г - не более 0,20 % углерода.

П.+Ф.

Рисунок 4 Микроструктура заэвтектоидной углеродистой стали

Пластичность. 20

Придел прочности. 54

Твердость. 229

При нагреве углеродистой стали любой марки никаких изменений в ее структуре не происходит до температуры 720°. При температуре 720° в стали происходит первое очень глубокое изменение структуры: зерна перлита превращаются в зерна аустенита. Это превращение заключается в том, что пластинчатые зерна цементита, которые образовали как бы каркас внутри зерна перлита, растворяются в окружающем их железе и равномерно по нему распределяются. Получившееся из зерна перлита зерно аустенита представляет собой уже не сложное зерно чистого железа, внутри которого были заключены пластинчатые зерна цементита, а однородное зерно твердого раствора углерода в железе. Превращение зерен перлита в зерна аустенита происходит в углеродистой стали всех марок, когда температура металла достигает 720°. Эта очень важная для теории и практики термической обработки температура называется нижней критической температурой.

При нагреве углеродистых сталей выше 720° зерна аустенита будут увеличиваться, а зерна феррита уменьшаться, потому что зерна аустенита будут постепенно поглощать зерна феррита и растворять их в себе. Наконец, при какой-то температуре зерен феррита не останется вовсе — структура металла будет состоять из одних зерен аустенита. Та температура, при которой заканчивается полностью процесс растворения зерен феррита в зернах аустенита, называется верхней критической температурой.

Заключение:

Закреплены практические навыки по проведению термической обработки сталей. Проведены исследования структур после разных видов термической обработки для стали Ст3Г с соответствующим анализом

Список литературы :

1 Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Музова Г.Г. материаловедение: Учебник для вузов – 3-е издание. М.: Изд-во МГТУ им. И. Э. Баумана, 2002.

2 Материаловедение и технология металлов. Фетисов Г.Л., Картман М.Г. М.: Высшая школа, 2000.

3 Справочник по конструкционным материалам. Справочник./ Б.Н. Арзамасов и др.: Под ред. Б. М. Арзамасова. – М.: изд-во МГТУ им. Баумана, 2005.80).