 |
Объясните, почему эвтектоидные и заэвтектоидные стали должны поставляться потребителям со структурой зернистого перлита. Приведите конкретный режим обработки для её получения.
|
|
|
|
Дайте определение материи (философское и естественнонаучное). В каких формах она существует? Охарактеризуйте каждую в отдельности. Покажите их взаимосвязь и отличие.
1.Материя- объективно существующая реальность, в виде различных форм и уровней организации объектов окружающего нас Мира, характеризуемая массой и энергией, а также другими производными характеристиками (дискретностью и непрерывностью, пространственной размерностью, временными формами движения, типами связей элементов, образующих конкретную материальную форму, их структурой т. д.)
В эпоху первых атомистических концепций античности материя понималась как субстанция, основа всего сущего в мире, из которой «построены» все другие тела во Вселенной. Классическим выражением такого понимания материи явился атомизм Левкиппа и Демокрита. Понятие использовалось Платоном для обозначения субстрата вещей, противостоящего их идее. Аристотельпризнавал объективное существование материи. Он считал её вечной, несотворимой и неуничтожимой.
В средневековой философии Фома Аквинский видел в материи принцип множества и индивидуации.
Томас Гоббс определял материю как тело (субстанцию), рассматриваемое в отношении его формы (акциденции). Сущностью материи является протяженность. При этом Гоббс мыслил реально существующую материю как «вторую материю», то есть конкретный субстрат вещей определенного вида. «Первая материя», или материя вообще, общая всем вещам, по Гоббсу, не есть тело, отличное от всех других тел, наполняющих универсум, но и не есть одно из этих тел, поэтому реально не существует. Эта реально не существующая «материя без формы» суть только идея тела вообще, каким оно представляется нам, когда мы мысленно абстрагируемся от его формы и прочих акциденций, за исключением количества и протяженности.
|
|
|
Атрибутами материи, всеобщими формами её бытия являются движение, пространство и время, которые не существуют вне материи. Точно так же не может быть и материальных объектов, которые не обладали бы пространственно-временными свойствами.
Фридрих Энгельс выделил пять форм движения материи:
Физическая; химическая; биологическая; социальная; механическая.
Универсальными свойствами материи являются:
несотворимость и неуничтожимость, вечность существования во времени и бесконечность в пространстве, материи всегда присущи движение и изменение, саморазвитие, превращение одних состояний в другие и детерминированность всех явлений.
причинность — зависимость явлений и предметов от структурных связей в материальных системах и внешних воздействий, от порождающих их причин и условий
отражение — проявляется во всех процессах, но зависит от структуры взаимодействующих систем и характера внешних воздействий. Историческое развитие свойства отражения приводит к появлению высшей его формы — абстрактного мышления
Универсальные законы существования и развития материи:
Закон единства и борьбы противоположностей
Закон перехода количественных изменений в качественные
Закон отрицания отрицания
Формы движения материи — основные типы движения и взаимодействия материальных объектов, выражающие их целостные изменения. Каждому телу присуще не одна, а ряд форм материального движения. В современной науке выделяются три основные группы, которые в свою очередь имеют множество своих специфических форм движения:
в неорганической природе,
пространственное перемещение;
движение элементарных частиц и полей — электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые взаимодействия, процессы превращения элементарных частиц и др.;
|
|
|
движение и превращение атомов и молекул, включающее в себя химические реакции;
саморегуляция, управление и воспроизводство в биоценозах и других экологических системах;
взаимодействие всей биосферы с природными системами Земли;
внутриорганизменные биологические процессы, направленные на обеспечение сохранения организмов, поддержание стабильности внутренней среды в меняющихся условиях существования;
надорганизменные процессы выражают отношения между представителями различных видов в экосистемах и определяют их численность, зону распространения (ареал) и эволюцию;
в обществе,
многообразные проявления сознательной деятельности людей;
все высшие формы отражения и целенаправленного преобразования действительности
Объясните, почему эвтектоидные и заэвтектоидные стали должны поставляться потребителям со структурой зернистого перлита. Приведите конкретный режим обработки для её получения.
Легированные стали по структуре в условиях равновесия можно разделить на следующие классы доэвтектоид-ные стали, содержащие в структуре эвтектоид и избыточный легированный феррит, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Последние содержат в структуре эвтектоид и избыточные (вторичные) карбиды типа М3С, выделяющиеся при охлаждении из аустенита. Дозвтекто-идные, эвтектоидные и заэвтектоидные легированные стали независимо от структуры (дисперсности) эвтек-тоида или квазиэвтектоида обычно объединяют в один класс - перлитные стали.
Строение перлита также влияет на обрабатываемость. Эвтектоидные и заэвтектоидные стали лучше обрабатываются при структуре зернистый перлит.
Мелкие карбиды (точечные или пластинчатые) быстрее растворяются при нагреве под закалку и не могут эффективно сдерживать рост зерна, в результате чего стали обладают меньшей прочностью и ударной вязкостью и более чувствительны к образованию трещин. По этим причинам эвтектоидные и заэвтектоидные сталиметаллургические заводы поставляют со структурой зернистого перлита. В результате повышенного легирования (см. рис. 1) перлит содержит мало углерода (0 2 - 0 3 %) и превращение перлита в аустенит ведет к небольшому насыщению у-твердого раствора углеродом. Оно возрастает при растворении вторичных карбидов при нагреве значительно выше Лсх.
|
|
|
Неполный отжиг заключается в нагреве стали выше нижней критической точки Ас на 30 - 80 С, но ниже верхней критической точки Асэ, выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью. Применяют его для эвтектоидной и заэвтектоидной стали. При медленном охлаждении цементит получается зернистым, поэтому после отжига сталь состоит из зернистого перлита и цементита. Эвтектоидная сталь после отжига второго рода имеет также структуру зернистого перлита. Неполный отжиг заэвтектоидной стали называют сфероидизацией.
Сталь с зернистым перлитом имеет более низкие значения твердости временного сопротивления и, соответственно, более высокие относительного удлинения и сужения. После отжига на зернистый перлит эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладают хорошей обрабатываемостью резанием - возможно применение больших скоростей резания и достигается высокая чистота поверхности. Кроме того, такая структура при последующей закалке стали обеспечивает мелкое зерно, расширяет интервал закалочных температур и уменьшает склонность к образованию трещин.
3. Начертите упрощенный вариант диаграммы состояния железо − цементит с обозначением всех температурных точек и областей соответствующих структурных составляющих сталей и чугунов. Рассмотрите формирование структуры при охлаждении жидкого сплава, с концентрацией углерода 0,2 % (нарисуйте кривую охлаждения с обозначением структуры сплава между точками перегибов). В произвольной точке этого сплава между линиями ликвидуса и солидуса по правилу отрезков определите концентрацию углерода в твердой и жидкой фазах и их количество. Приведите конечную структуру сплава и области его применения. Что такое цементит? Укажите его структуру, температуры образования, концентрацию углерода, свойства.
Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз.
|
|
|
Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.
Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит –Fe3C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6%, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерода. Диаграмма состояния железо – цементит представлена на рис. 1.
Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов.
Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит. 
Рис. 1. Диаграмма состояния железо — цементит
1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539 oС ±5o С.
В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911oС и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует Fea с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392oС устойчивым является Feg с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392oС железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Fed или высокотемпературное Fea. Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения Fea«Feg обозначают точкой A3, а температуру 1392o С превращения Fea«Feg — точкой А4.
При температуре ниже 768oС железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.
Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности sB=250 МПа, предел текучести sТ=120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение d=50%, а относительное сужение Y=80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.
Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов. Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.
2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).
|
|
|
В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).
3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.
Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С.
Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.
Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.
Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.
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 (Ф) (C) – твердый раствор внедрения углерода в a-железо.
Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727o С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.
При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит (d), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J). Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности sВ=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение 30%), магнитен до 768o С.
3. Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в g-железо. Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.
Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е).
Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение 40-50%), парамагнитен.
При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.
4. Цементит – характеристика дана выше.
В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). 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.
Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов.
Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (d), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.
Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (d). На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (d), в результате чего образуется аустенит: L+Ф(d)®А.
На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:
L43®эвте(А+ЦI)
Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.
При температуре ниже 727o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).
По линии HN начинается превращение феррита (d) в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита (d) в аустенит заканчивается.
По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.
По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.
По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место магнитные превращения.
По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:
По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.
Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.
Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.
Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.
По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.
Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.
Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):
А1 – линия PSK (7270С) – превращение П ® А;
A2 – линия MO (7680С, т. Кюри) – магнитные превращения;
A3 – линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф ® А;
A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – A«Ф(d) превращение;
Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).
Определим при t=7500 C количественное соотношение фаз:
МО =МР + РО
Количество феррита
Количество цементита
Содержание углерода в цементите определяем по линии GS – 0,72%.
Строим кривую охлаждения
Для 4–4′: k = 2; f = 3 (Ф + А + Ц); с = 2–3+1=0 (t = const).
1–2 (1499)– первичная кристаллизация А из жидкости
2–3 –(1440) охлаждение А (превращений нет)
3–4 – (800) диффузионное перераспределение углерода, образование Ф, повышение содержания углерода в А.
4–4′ (723)– распад А, образование П.
Ниже 4′ – охлаждение сплава, выделение избыточного углерода из Ф (ЦIII).
Рис.2. Кривая охлаждения
4. Металлорежущий инструмент (плашки) из стали У11А закалены: одна с температуры 760 °С, другая с 850 °С. Нанесите на диаграмму состояния «железо − цементит» выбранные температуры и объясните, какая из этих плашек будет иметь более высокие режущие свойства и почему.
Исходная структура высокоуглеродистой инструментальной стали У11А до нагрева под закалку – перлит + карбиды.
Критические точки для стали У11А: Аc1=730ºС, Аcm=810ºС.
При нагреве до 730ºС в стали У11 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру – перлит + карбиды, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + карбиды с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку.
Оптимальный режим нагрева под закалку для завтектоидных сталей (%С>0,8) составляет АСi+(30/50), т.е для УIIA – 760-780C. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойствастали УIIA.
Нагрев и выдершка стали УIIA при температуре 850С перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая стректура вызывает повышенную хрупкость стали, иногда приводит к трещинам.
Таким образом, первая плашка закалена правильно и имеет высокие механические свойства.
|
|
|
