+ 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).

3. Назначьте температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска зенкеров из стали У12А. Опишите сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термической обработки.
Сталь У12А – углеродистая высококачественная сталь. Относится к группе инструментальных нетеплостойких сталей высокой твердости с небольшой прокаливаемостью. Заэвтектоидная сталь – это сталь, в которой содержится углерода более 0,8%, но менее 2,14%. В инструментальной стали У12 содержится в среднем 1,2% углерода.
Для снижения твердости и создания благоприятной структуры сталь до изготовления инструмента подвергают предварительной термической обработке – отжигу. Сетка вторичного цементита ухудшает качество и срок службы инструмента, данную сталь подвергают сфероидизирующему отжигу, нагревая ее до температуры 750-780°С. В результате такого отжига пластины вторичного цементита делятся. Регулируя скорость охлаждения, можно получать глобули цементита различного размера.
После предварительной обработки проводят окончательную термическую обработку, которая состоит из закалки и отпуска. Закалкой стали называют такую операцию термической обработки, при которой стальные детали нагревают до температуры, несколько выше критической, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают в воде или масле. Основное назначение закалки – получение стали с высокими твердостью, прочностью, износостойкостью и другими свойствами.
Для закалки заэвтектоидные стали нагревают на 50-70°С выше точки А1 (рисунок 3). Температура закалки углеродистой инструментальной сталей У12 должна быть 780-800°С, т.е. несколько выше Ас1, но ниже Ас3 для того, чтобы в результате закалки сталь получила мартенситную структуру и сохранила мелкое зерно. Таким образом, после закалки в структуре заэвтектоидных сталей будет мартенсит с цементитом и небольшое количество остаточного аустенита. Охлаждение производится в воде или водном растворе солей, поскольку углеродистая сталь имеет высокую критическую скорость закалки.

Рисунок 3. Часть диаграммы состояния железо-цементит
При нагревании стали до температуры 727°С структура сплава состоит из цементита и перлита. Здесь начинается превращение перлита (феррита, содержащегося в перлите) в аустенит. Этот процесс протекает в результате образования зародышей аустенита и последующего их роста.
На линии PSK (критическая температура Ас1) завершается процесс превращения перлита в аустенит. Образующийся аустенит неоднороден даже в пределах одного зерна. Для получения однородного аустенита необходимо нагреть сталь выше температуры Ас1 (730°С). Между точками Ас1 и Ас3 (Асм = 820°С) сплав имеет структуру аустенит + вторичный цементит. По мере приближения к точке Ас3 концентрация углерода в аустените увеличивается.
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которого сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.
Температуру отпуска выбирают в зависимости от твердости, необходимой для данного вида инструмента. Зенкеры служат для обработки цилиндрических отверстий, предварительно просверленных и в необработанных (литых, кованых, штампованных) заготовках. Сталь для такого инструмента должны иметь высокую твердость, значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкость. Для заданной детали проводят низкотемпературный отпуск при 150…200°С, что обеспечивает инструменту максимальную твердость (HRC 62-64). При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок. Продолжительность отпуска составляет обычно 1…2,5 ч.

4. Назначьте нержавеющую сталь для изготовления деталей, работающих в среде уксусной кислоты при температуре не выше 40°С. Приведите химический состав стали, необходимую термическую обработку, получаемую структуру. Объясните физическую природу коррозионной устойчивости стали и роль каждого легирующего элемента.
Для деталей, работающих агрессивных средах, возможно применение стали 03Х18Н11. Эта сталь является обыкновенной коррозионно-стойкой сталью. Химический состав стали приведен в таблице.
Таблица
Химический состав стали, %
C Si
Mn
Ni
S P Cr
до 0,03 до 0,8 до 2,0 10,5 – 12,5 до 0,02 до 0,035 17 – 19

Термообработка стали заключается в закалке с температуры 1100°С с охлаждением в воде. После закалки сталь имеет аустенитную структуру (данная сталь относится к аустенитному классу нержавеющих сталей). Стали аустенитного класса имеют относительно небольшой уровень прочности и высокую пластичность. После закалки можно провести отпуск при температуре 700…790°C в масле.
Хром – легирующий элемент, делающий сталь коррозионностойкой в окислительных средах. Коррозионная стойкость хромистых нержавеющих сталей объясняется образованием па поверхности защитной плотной пассивной пленки оксида Сr2О3. Все нержавеющие стали имеют содержание хрома не менее 13%, при содержании хрома менее 13% сталь не имеет коррозионностойких свойств.
Легирование никелем в количестве 11% переводит сталь в аустенитный класс, что имеет принципиально важное значение, так как позволяет сочетать высокую технологичность стали (высокую пластичность что облегчает обработку давлением-штамповку) с уникальным комплексом эксплуатационных характеристик.
Сталь имеет пониженное содержание углерода, что уменьшает вероятность развития межкристаллитной коррозии. При температуре более 900°С сталь имеет полностью аустенитную структуру, что связано с сильным аустенитообразующим воздействием никеля. Соотношение концентраций хрома и никеля оказывает специфическое воздействие на стабильность аустенита при охлаждении с температуры обработки на твердый раствор (1050-1100°С). Кроме влияния основных элементов, присутствие в стали кремния способствуют образованию феррита.

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