по Материаловедению. Технология конструкционных материалов (стр. 2 из 4)
2. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид и укажите на ней температуру изотермической закалки стали 60 СГА. Постройте кривую охлаждения и укажите химический состав стали, закалочной среды и зарисуйте полученную структуру.
Характеристика материала 60СГА
Марка: 60 СГА;
Классификация: сталь конструкционная легированная высококачественная, с пониженным содержанием серы и фосфора
Химический состав в % материала 60СГА.
| C | Si | Mn | Ni | S | P | Cr | Cu |
| 0.55 - 0.65 | 0.9 - 1.2 | 0.7 - 1 | до 0.25 | до 0.025 | до 0.025 | до 0.3 | до 0.2 |
Температуру закалки определяем по диаграмме состояния железо - цементит.
При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше точки Ас3. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит. Для стали 60СГА температура нагрева составит 790 – 820 гр.
Закалку выполняют так же как и ступенчатую, но предусматривается более длительная выдержка выше точки Мн. При выдержке происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн, и выдерживают в ней, затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе ( рис. 2 ).
У большинства легированных сталей распад аустенита в промежуточной области не идет до конца. Если аустенит, не распавшийся при изотермической выдержке, не претерпевает мартенситного превращения при дальнейшем охлаждении, то сталь получает структуру бейнита и 10—20 % остаточного аустенита ( рис. 3 ), обогащенного углеродом. При такой структуре достигается высокая прочность при достаточной вязкости. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности.
Если же большая часть аустенита, не распавшегося после окончания промежуточного превращения, при последующем охлаждении претерпевает мартенситное превращение, то после изотермической закалки резко снижается пластичность.
В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалках чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150—500 °С [например, 55 % KNO3 + 45 % NaNO2 (или NaNO3], а также расплавленные щелочи (20 % NaOH + 80 % КОН). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения в ней. Поскольку расплавленные соли охлаждают только вследствие теплоотдачи, то охлаждающая способность их возрастает при перемешивании. Добавление воды (3—5 %) в расплавы едких щелочей вызывает кипение и увеличение скорости охлаждения в области температур перлитного превращения. Скорость охлаждения возрастает при 400—450 °С в 4—5 раз, а при 300 °С — в 2 раза. Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали нагревали в жидких солях (т. е. солях, не вызывающих окисления), позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Закалку по этому способу называют светлой.
Рис. 2. Схема охлаждения при Рис. 3.Микроструктура при изотермической изотермической закалке. закалке –бейнит +остаточный аустенит.
3. Приведите классификацию и маркировку сталей и сплавов с особыми физическими свойствами. Назовите области их применения.
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами классифицируются по признаку основного свойства. В соответствии с этим принципом их можно разделить на следующие группы:
- магнитные и электротехнические стали и сплавы;
- сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами;
- сплавы с эффектом памяти формы;
- сверхпроводящие материалы;
- радиационно-стойкие материалы;
- другие виды сталей и сплавов с особыми физическими свойствами.
Магнитные и электротехнические стали и сплавы.
В зависимости от знака и степени магнитной восприимчивости материалов различают диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетики обладают отрицательной магнитной восприимчивостью. Они намагничиваются противоположно приложенному магнитному полю и таким образом ослабляют его. К диамагнетикам относятся полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры), ряд переходных металлов (Be, Cu, Ag, Pb).
Парамагнетики характеризуются слабой намагниченностью под действием внешнего поля. К парамагнетикам относятся К, Na, A1, а также такие переходные металлы, как Mo, W, Ti.
Ферромагнетики обладают высокой магнитной восприимчивостью. Из всех металлов только четыре (железо, кобальт, никель и гадолиний) обладают высокими ферромагнитными свойствами.
В зависимости от значений основных магнитных характеристик различают магнитотвердые и магнитомягкие сплавы.Магнитотвердые материалы должны обладать высокими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом, вольфрамом, а также одновременно несколькими элементами.
Состав и свойства сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862-54)
Обозначают магнитно-твердые стали индексом "Е", указывая далее буквой с цифрой наличие хрома и его содержание в целых процентах (например, ЕХ2, ЕХЗ).
Высокими магнитными свойствами обладают сплавы системы Fe-Ni-Co. Их называют сплавами типа альнико или ЮНДК. Недостатком сплавов альнико является их высокая твёрдость, хрупкость и плохая обрабатываемость. Поэтому магниты из них изготавливают литыми и обрабатывают шлифованием.Очень хорошие, но дорогие магниты изготавливают из сплавов с высоким содержанием кобальта B5-50 %). Эти сплавы - пермендюр 50 % Fe, 50 % Co) и перминвар (45 % Ni, 25 % Co, 23 % Fe). Их обычно легируют небольшими добавками молибдена, ванадия или хрома. Недавно разработаны новые сплавы - гиперко 5-HS (2 % V, 48,5 % Со, остальное - железо) и кровак (Fe-Cr-Co), а также сплавы с применением редкоземельных металлов самария (Sm) и неодима (Nd).
Состав и свойства сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862-54)
Состав и магнитные свойства некоторых литых сплавов типа альнико для постоянных магнитов (ГОСТ 17809-72)
Магнитомягкие материалы. Основные требования к магнитомягким материалам: низкие значения коэрцетивной силы, высокая магнитная проницаемость и малые потери при перемагничивании на вихревые токи. Для удовлетворения этих требований металл должен обладать гомогенной структурой, быть чистым от примесей и неметаллических включений и иметь крупнозернистое строение, свободное от внутренних напряжений, вызываемых наклёпом.
В качестве магнитомягкого материала применяют технически чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными. Содержание углерода не должно превышать 0,025 %. Для устранения наклёпа и получения крупного зерна листовой металл подвергают высокотемпературному отжигу в безокислительной атмосфере. Технически чистое железо применяют для изготовления реле, сердечников, электромагнитов постоянного тока. Низкое удельное электрическое сопротивление увеличивает потери при перемагничивании. Поэтому применение технически чистого железа ограничивается устройствами с постоянным магнитным полем. По химическому составу промышленно применяемые магнитномягкие (электротехнические) стали и сплавы делятся на:
· низкоуглеродистые (0,05...0,005%С) с содержанием кремния 0,8...4,8%;
· сплавы железа с никелем.
Более высокое электрическое сопротивление имеют электротехнические низкоуглеродистые стали, дополнительно легированные кремнием в количестве 0,8 - 4,8 %. Благодаря более высокому электрическому сопротивлению снижаются потери на вихревые токи. Однако при содержании кремния около 4 % происходит охрупчивание стали, что затрудняет производство тонколистового металла.
В России принята цифровая маркировка электротехнической стали. Первая цифра определяет структуру и вид проката: 1 - горячекатаная изотропная; 2 - холоднокатаная изотропная; 3 - холоднокатаная анизотропная с кристаллической структурой направления [100]. Вторая цифра в марке определяет содержание кремния: 0 - < 0,4 %; 1 - 0,4-0,8 %; 2- 0,8-1,8 %; 3 - 1,8-2,8 %; 4 - 2,8-3,8 %; 5 - 3,8-4,8 %. Третья цифра определяет потери на гистерезис и тепловые потери при определённом значении В и f. Например, при третьей цифре 1 удельные потери стали 1311 при В=1,5 Тл и частоте тока f = 50 Гц составляют PJj5/5o = 6,1 Вт/кг. Четвёртая цифра - код числового значения нормируемого параметра. Чем больше цифра, тем меньше удельные потери Pi,5/so.
Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение сплавов со строго регламентированными значениями в определённых температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения α (ТКРЛ) и модуля нормальной упругости β (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве. Подбор определённого химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически, не зависит от температуры. Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком температурном диапазоне, называют элинварами.Область использования: измерительные приборы, геодезические измерительные ленты, регуляторы расширения, компенсационные элементы, компоненты термобиметаллов. Основным представителем сплавов с минимальным ТКЛР является сплав 36Н - инвар. Замена части никеля равным количеством кобальта и легирование малыми добавками меди позволяет дополнительно снизить ТКЛР инвара. Такой сплав называют суперинваром.