Вопрос №1

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит+ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 1,0%С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Цементит (вторичный) + Перлит.


а) б)

Рисунок 3: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,0% углерода


Вопрос №2

Одним из технологических процессов упрочняющей обработки является термомеханическая обработка (ТМО).

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов.

При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии).

Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.

В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО).




Рисунок 4 – Схема режимов низкотемпературной термомеханической обработки стали

При низкотемпературной термомеханической обработке (аусформинге) сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рисунок 4).

Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование.

Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.

Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два – четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.


Вопрос №3

Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 760°С (ниже точки Ас3) структура стали 40 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.



Рисунок 5 – Фрагмент диаграммы железо-углерод

Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3.

Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Таким образом, более высокие эксплуатационные свойства будет иметь деталь, закаленная от температуры 830°С.


Вопрос №4

Стали, применяемые для изготовления основных деталей, как штампов, так и пресс-форм, относятся к группе инструментальных. Технологические и механические свойства инструментальных сталей определяются наличием химических элементов, входящих в данную сталь. По химическому составу инструментальные стали делят на углеродистые, легированные и быстрорежущие. Последние идут преимущественно на изготовление режущих инструментов, и поэтому в дальнейшем не рассматриваются.

Согласно ГОСТ 1435—74 маркировка углеродистых инструментальных сталей состоит из буквы У и следующих за ней цифр, указывающих на содержание углерода в десятых долях процента. Например, У10 — сталь инструментальная углеродистая с содержанием углерода 1%, У8А — с содержанием углерода 0,8%, буква А означает, что сталь имеет минимальное содержание вредных примесей, т. е. высококачественная.

По ГОСТ 5950—73 маркировка легированных инструментальных сталей состоит из ряда букв и цифр. Буквы указывают на наличие в стали определенных химических элементов, а цифры, стоящие непосредственно после буквы, указывают на процентное содержание соответствующего легирующего элемента в целых единицах процента (по массе).

Цифра 1 после буквы или ее отсутствие означает, что массовая доля легирующего элемента составляет около одного процента. Цифры, стоящие перед буквами, указывают на содержание углерода в сотых долях процента, если перед буквами нет цифр, это означает, что углерода содержится около 1%. Например, сталь 12ХН3 содержит 0,12% углерода, хрома (X) около 1% и никеля (Н)—3%.


Вопрос №5

В промышленности одним из эффективных методов получения готовых изделий является метод прессования. Данный способ позволяет получать изделия с заданными размерами, физико-механическими параметрами и высокими эксплуатационными характеристиками. При этом используется принцип получения готового продукта из полуфабриката или, так называемых, пресс-материалов.

Прессматериалы служат исходным сырьём для изготовления различной продукции широкого применения методом прессования.

Различают несколько видов прессования с использованием прессматериалов, это прямое (компрессионное) прессование, а так же литьевое (трансфертное) прессование. В первом случае прессование изделия из прессматериала производится непосредственно в полости формы. А во втором материал поступает в пресс-форму под давлением в расплавленном виде.

Получение готовых изделий из прессматериалов происходит на гидравлических или пневматических прессах при высокой температуре и давлении. В качестве связующих веществ используются модифицированные фенолформальдегидные смолы (связующие), различный состав которых влияет на конечные физико-химические свойства готового продукта.

Особенность использования прессматериалов в качестве морфологического сырья состоит в том, что при прессовании изделий не требуется дополнительное время для полной готовности. Процесс отвержения происходит непосредственно в оформляющей полости в процессе работы, что значительно повышает скорость получения готовой продукции.

Обычно прессматериалы, поступающие в виде сырья, поставляются в виде порошков или гранул с различными размерами и зернистостью. Как правило, линейные размеры гранул не превышают 3-5 мм. Одной из разновидностью широко используемых прессматериалов являются волокниты, которые состоят из волокон растительного или минерального происхождения.

К волокнитам относят стеклонаполненные прессматериалы марок: АГ-4С, АГ-4НС, АГ-4В-10-4,5; ДСВ-2, ДСВ-4; ГСП-8, ГСП-32, ГСП-400, ПРЕМИКС. Перечисленные прессматериалы относятся к группе стекловолокнитов, которые состоят из стеклянных нитей, пропитанных связующим веществом.

Асбоволокнит АГ-4В и АГ-4С применяют, в основном, для изготовления тормозных колодок и изделий электротехнического назначения, способных выдерживать высокие температуры в течение длительного времени при больших механических нагрузках. В отличие от прессматериала АГ-4В, в материале АГ-4С стекловолокна расположены упорядоченно, что повышает продольную прочность на изгиб.

Использование неориентированного наполнителя АГ-4В и дозирующихся стекловолокнитов типа ДСВ-2, ДСВ-4 позволяет изготавливать детали сложной формы с металлическим армированием для увеличения механической прочности изделий. Эти прессматериалы находят своё применение при изготовлении электротехнических деталей в силовых электрических цепях, в радиоэлектронике, в авиационной промышленности и в машиностроении. Использование в качестве связующих веществ непредельных полиэфиров позволяет изготавливать кузова для транспорта и кожухи, корпуса различных приборов и устройств.

Прессматериалы из гранулированного стекловолокнита марок: ГСП-8, ГСП-32, ГСП-400 отличаются большим насыпным весом. Они более технологичны в производстве, так как не требуют предварительной подготовки перед применением. Используются в различных отраслях промышленности для технического и электротехнического применения. Диапазон рабочих температур прессматериалов: АГ-4С, АГ-4НС, АГ-4В-10-4,5; ДСВ-2, ДСВ-4; ГСП-8, ГСП-32, ГСП-400 составляет от – 196°С до +200°С.

Прессматериал - ПРЕМИКС применяется в автомобильной, электротехнической и некоторых других видах промышленности. Отличается малой усадкой, повышенной скоростью отвердевания, стойкостью к маслам и бензину. Диапазон рабочих температур несколько ниже, чем у других материалов, от - 60° до +130° С. На основе этого материала возможно изготовление тонкостенных прецизионных изделий высокого качества.

В зависимости от свойств и типа наполнителя (связующего вещества) возможно изготовление изделий с набором заданных и уникальных свойств.

Существует возможность подбора и изменения заданных свойств за счёт других, например, при уменьшении толщины волокна прессматериала происходит увеличение прочности изделия на изгиб. При этом изменяются другие параметры, происходит уменьшение ударной вязкости. Стекловолокниты из некоторых видов стекла отличает высокая стойкость к воздействию различных видов кислот.

Изделиям из прессматериалов на основе стекловолокнитов свойственна высокая прочность при, относительно, небольшой массе, высокая устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам. Так же их отличает высокая стойкость к химическим и коррозийным воздействиям, устойчивость к воздействию бактерий и микроорганизмов.


Вопрос №6

Бронзы отличаются невысокой жидкотекучестью из-за большого интервала кристаллизации. По этой же причине в бронзе не образуется концентрированная усадочная раковина, а возникает рассеянная мелкая пористость. Линейная усадка у оловянных бронз очень невелика и составляет 0,8% при литье в песчаную форму и 1,4% при литье в кокиль. Указанные свойства облегчают получение отливок, от которых не требуется высокой герметичности.

В оловянные бронзы часто вводят фосфор. Фосфор, во-первых, раскисляет медь и уменьшает содержание водорода в расплаве; во-вторых, повышает прочностные свойства; в-третьих, улучшает жидкотекучесть и позволяет получать отливки сложной формы с тонкими стенками, в частности, качественное художественное литье. Фосфор в бронзах с небольшим количеством олова повышает сопротивление износу из-за появления в структуре твердых частичек фосфида меди Си3Р. Однако фосфор ухудшает технологическую пластичность , поэтому в деформируемые сплавы вводят не более 0,5% Р.

Оловянные бронзы легируют цинком в больших количествах, но в пределах растворимости. При таких содержаниях цинк благоприятно влияет на свойства оловянных бронз:

снижает склонность к ликвации и повышает жидкотекучесть, поскольку он уменьшает температурный интервал кристаллизации сплавов;

способствует получению более плотного литья;

раскисляет расплав и уменьшает содержание в нем водорода;

улучшает прочностные свойства .

Никель повышает прочностные свойства и улучшает пластичность и деформируемость, повышает их коррозионную стойкость, плотность, уменьшает ликвацию. Бронзы с никелем термически упрочняются закалкой и старением. Свинец повышает жидкотекучесть и плотность , их антифрикционные свойства.

Естественно, желательно применять дешевые недефицитные легирующие элементы. По этой причине в литейных бронзах стремятся уменьшать содержание олова за счет дополнительного легирования другими элементами.

По назначению оловянные бронзы можно разделить на несколько групп :

Литейные стандартные БрОЗЦ12С5 Бр05Ц5С5 Бр04Ц4С17 Бр04Ц7С5 БрОЗЦ7С5Н1

Литейные ответственного назначения БрОФ Бр010Ц2 Бр08Ц4 БрОбЦбСЗ БрО10С10 Бр05С25

Деформируемые БрОФ 8-0,3 БрОФ 6,5-0,4 БрОФ 6,5-0,15 БрОФ 4-0,25 БрОЦ 4-3 БрОЦС 4-4-2,5

Первая группа — литейные стандартные , предназначенные для получения разных деталей машин методами фасонного литья. К этим бронзам, помимо высоких литейных свойств, предъявляются следующие требования:

хорошая обрабатываемость резанием;

высокая плотность отливок;

достаточная коррозионная стойкость;

высокие механические свойства.