+ 1 – Ф
Число степеней свободы (согласно правилу фаз Гиббса) для заданного сплава в различных температурных интервалах:
С(выше 1) = 2+1-1 = 2 (фазы: жидкость)
С(1-2) = 2+1-2 = 1 (фазы: жидкость, аустенит)
С(2-3) = 2+1-1 = 2 (фазы: аустенит)
C(3-4) = 2+1-2 = 1 (фазы: аустенит, цементит)
С(по линии, соответствующей точке 4) = 2+1-3 = 0 (фазы: аустенит, феррит, цементит)
С(ниже 4) = 2+1-2 = 1 (фазы: феррит, цементит).

4. Опишите, в чем заключается низкотемпературная термомеханическая обработка конструкционной стали. Почему этот процесс приводит к получению высокой прочности стали? Какими преимуществами и недостатками обладает вариант низкотемпературной термомеханической обработки по сравнению с высокотемпературной термомеханической обработкой?
Представления о решающей роли структуры в формировании ряда важнейших свойств развились к настоящему времени в экспериментально доказанные положения о влиянии на эти свойства несовершенств строения реальных кристаллов. Несовершенства строения во многом определяют механизм фазовых и структурных превращений при термической обработке, т.е. характер окончательной структуры, задающей свойства металлического сплава. Отсюда вытекает, что целесообразно управлять плотностью и распределением несовершенств (главным образом дислокаций) в металле на разных стадиях термической обработки с тем, чтобы рационально направить процессы структурообразования и получить оптимальные свойства. Одним из основных методов регулирования дислокационной структуры является пластическая деформация.
Пластическая деформация – сложный физико-химический процесс, в результате которого наряду с изменением формы и строения исходного металла изменяются его механические и физико-химические свойства.

Рисунок 5. Условное изображение дефектов кристаллической решётки:
а) линейная дислокация; б) винтовая дислокация
Дислокации в кристаллах, дефекты кристалла, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей (рисунок 5).
Фактически пластическая деформация осуществляется за счет перемещения дислокаций. Процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение первичных дислокаций вызывает появление большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.
Реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой плотности дислокаций, реальная прочность вновь начинает возрастать. Такого рода зависимость между реальной прочностью и плотностью дислокаций (и других несовершенств). Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, и реальная прочность металла повысится.
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).
При низкотемпературной термомеханической обработке сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600°С), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рисунок 6).

Рисунок 6. Схема режимов низкотемпературной термомеханической обработки стали

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.

5. Детали машин из стали 40 закалены; одни — от температуры 760о С, а другие — от температуры 830°С. Используя диаграмму состояния железо-цементит, нанесите выбранные температуры нагревай объясните, какие из этих деталей имеют более высокую твердость и лучшие эксплуатационные свойства и почему.

Рисунок 7. Часть диаграммы состояния железо-цементит с обозначением температур закалки
По условиям нагрева принято различать полную и неполную закалку. При полной закалке сталь переводят в однофазное аустенитное состояние, т.е. нагревать сталь необходимо выше критической температуры Ас3 (Ас3 + 30÷50°С). При неполной закалке сталь нагревают до межкритических температур – между Ас1 и Ас3. Основное назначение закалки – получение стали с высокими твердостью, прочностью, износостойкостью и другими свойствами.
Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С. Температура нагрева стали под полную закалку составляет 820-840°С. Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкокристаллического аустенита, а после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита, который является наиболее твердой железоуглеродистой фазой.
Недогрев до критической температуры (например, закалка с температуры 760°С) приводит к сохранению в структуре кристаллов феррита, т.е. структура получится неоднородной. Из-за этого механические свойства окажутся ниже, чем при закалке выше критической температуры.
Оптимальной термообработкой для стали 40 является полная закалка с температуры 830°С (рисунок 7).

Перечень использованной литературы
Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) / А.М. Адаскин – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 240 с.
Козлов Ю.С. Материаловедение / Ю.С. Козлов – М.: АГАР, 1999. – 182 с.
Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
Основы материаловедения / Под редакцией И.И. Сидорина – М.: Машиностроение, 1976. – 436 с.
Черепахин А.А. Материаловедение / А.А. Черепахин, И.И. Колтунов, В.А. Кузнецов. – М.: КНОРУС, 2011. – 240 с.
Технология конструкционных материалов / Под редакцией А.М. Дальского – М.: Машиностроение, 1990. – 352 с.

+ 1 – Ф Число степеней свободы (согласно правилу фаз Гиббса) для заданного сплава в различных температурных интервалах