Диаграмма состояния сплавов железо-углерод. Обработка металлов давлением (стр. 1 из 4)
1. Назначение и характерные особенности диаграммы железо-углерод. Что позволяет определить диаграмма состояния сплавов; ее практическое назначение?
Диаграмма состояния железо-углерод даёт представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.
Впервые на существование в стали критических точек и на зависимость их от содержания углерода указал Дмитрий Константинович Чернов. Впоследствии свои высказывания о влиянии углерода на положение критических точек Чернов изобразил графически, воспроизведя очертание важнейших линий диаграммы железо-углерод.
Чернов определял положение критических точек на глаз, по цветам каления стали. Знаменитый французский исследователь Ф. Осмонд, воспользовавшись только что изобретённым Ле-Шателье пирометром, определил положение критических точек, описал характер микроструктурных изменений при переходе через критические точки и дал названия основных структур железоуглеродистых сплавов, употребляющихся и сейчас.
Образование твёрдых растворов при нагревании было установлено Р. Аустеном, что было доказано прямым металлографическим анализом Ле-Шателье, А.А. Байковым и Н.Т. Гудцовым.
Используя эти данные, а также разработанную теорию фазовых равновесий Д. Гиббса, голландский учёный Розебум, а также и Р. Аустен представили первый вариант диаграммы железо-углерод. Неполнота сведений, которыми располагали эти исследователи, не позволила им построить диаграмму во всех областях, отвечающих действительному фазовому равновесию. Лишь к концу XIX века немецкий учёный П. Геренс, использовавший опыт своих предшественников и новые данные по микроструктурному и термическому анализу железоуглеродистых сплавов, привёл в своей книге диаграмму железо-углерод, достаточно близко отвечающую современному варианту. Позже были внесены хоть и существенные, но не принципиальные уточнения в диаграмме железо-углерод. Дальнейшие работы по изучению диаграммы железо-углерод продолжаются и сейчас.
Диаграмма железо-углерод, как следует из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо с углеродом образует ряд химических соединений: Fe3C; Fe2C; FeC и др. и, следовательно, система железо-углерод должна быть отнесена к сложной форме диаграммы с химическими соединениями.
Фазы состояния сплава железо – углерод
Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов железо-углерод
В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.
1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
2. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железо.
Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02% при температуре 727° С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.
При температуре выше 1392° С существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1% при температуре около 1500 °С (точка I)
Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности -) и пластичен (относительное удлинение -), магнитен до 768° С.
3. Аустенит (γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.
Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.
Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8% при температуре 727° С (точка S), максимальную – 2,14% при температуре 1147° С (точка Е).
Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен, парамагнитен.
При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.
4. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67% углерода.
В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов имеет большое практическое значение. Она используется для определения температур нагрева стали при различных видах термической обработки, при определении температурных интервалов для горячей обработки стали давлением (ковка, штамповка, прокатка), а также для определения температур плавления и кристаллизации стали и чугунов в литейном производстве.
2. Сущность обработки металлов давлением: ковки, штамповки, прокатки, прессования
Обработка металлов давлением – технологический процесс получения заготовок или деталей в результате силового воздействия инструмента на обрабатываемый материал.
Обработка металлов давлением основана на способности металлов в определенных условиях пластически деформироваться в результате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил.
Если при упругих деформациях деформируемое тело полностью восстанавливает исходные форму и размеры после снятия внешних сил, то при пластических деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил. Упругая деформация характеризуется смещением атомов относительно друг друга на величину, меньшую межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы возвращаются в исходное положение. При пластических деформациях атомы смещаются относительно друг друга на величины, большие межатомных расстояний, и после снятия внешних сил не возвращаются в свое исходное положение, а занимают новые положения равновесия.
Процессы обработки металлов давлением по назначению подразделяют на два вида:
1. Для получения заготовок постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей – только обработкой резанием или с использованием предварительного пластического формоизменения, основными разновидностями таких процессов являются прокатка и прессование;
2. Для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих приближённо формы и размеры готовых деталей и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности заданного качества; основными разновидностями таких процессов являются ковка и штамповка.
Прокатка заключается в обжатии заготовки между вращающими валками. Силами трения заготовка втягивается между валками, уменьшаются поперечные размеры заготовки.
Прессование заключается в продавливании заготовки, находящейся в замкнутой форме, через отверстие матрицы, причём форма и размеры поперечного сечения выдавленной части заготовки соответствуют форме и размерам отверстия матрицы.
Ковкой изменяют форму и размеры заготовки путём последовательного воздействия универсальным инструментом на отдельные участки заготовки.
Штамповкой изменяют форму и размеры заготовки с помощью специализированного инструмента – штампа (для каждой детали изготовляют свой штамп). Различают объёмную и листовую штамповку. При объёмной штамповке сортового металла на заготовку, являющуюся обычно отрезком прутка, воздействуют специализированным инструментом – штампом, причём металл заполняет полость штампа, приобретая её форму и размеры. Листовой штамповкой получают плоские и пространственные полые детали из заготовок, у которых толщина значительно меньше размеров в плане (лист, лента, полоса). Обычно заготовка деформируется с помощью пуансона и матрицы.
3. Правила работы с электролитом для кислотных аккумуляторов
1. На всех сосудах с электролитом, дистиллированной водой и нейтрализующими растворами должны быть сделаны соответствующие надписи (наименование).
2. Кислота должна храниться в стеклянных бутылях с притертыми пробками, снабженных бирками с названием кислоты. Бутыли с кислотой и порожние бутыли должны находиться в отдельном помещении при аккумуляторной батарее. Бутыли следует устанавливать на полу в корзинах или деревянных обрешетках.
3. Все работы с кислотой должны выполнять специально обученные работники.
4. Стеклянные бутыли с кислотами должны переносить двое работников. Бутыль вместе с корзиной следует переносить в специальном деревянном ящике с ручками или на специальных носилках с отверстием посередине и обрешеткой, в которую бутыль должна входить вместе с корзиной на 2/3 высоты.
5. При приготовлении электролита кислота должна медленно (во избежание интенсивного нагрева раствора) вливаться тонкой струей из кружки в фарфоровый или другой термостойкий сосуд с дистиллированной водой. Электролит при этом все время нужно перемешивать стеклянным стержнем или трубкой либо мешалкой из кислотоупорной пластмассы.
Не допускается приготовлять электролит, вливая воду в кислоту. В готовый электролит доливать воду разрешается.
6. При работах с кислотой необходимо надевать костюм (грубошерстный или хлопчатобумажный с кислотостойкой пропиткой), резиновые сапоги (под брюки) или галоши, резиновый фартук, защитные очки и резиновые перчатки.
7. До начала работ и после их окончания, помещение должно быть провентилировано в течение 1 часа;
4. Расшифровать маркировку материала: У9; ХН35ВТ; ВЧ-35–4; ЛМц 58–2; построить кривую охлаждения Fe-C сплава с содержанием 0,8% С.