Материаловедение

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали, содержащие до 2,14% С и чугуны.

Кристаллизация сталей. Кристаллизация чистого железа протекает изотермически при температуре 1539⁰С, а сплавов железа с углеродом – в интервале температур. Рассмотрим сначала верхний участок диаграммы состояния, где происходит перитектическое превращение (рисунок 2)

 

Сплав Ι, содержащий менее 0,1%С, не испытывает перитектического превращения. Он кристаллизуется в интервале температур точек 1-2. При этом составы жидкой фазы и феррита изменяются по обычным законам кристаллизации твердых растворов. Образуется зернистая структура, состоящая из кристаллов феррита. В интервале температур точек 3-4 происходит перекристаллизация феррита в аустенит, вызванная полиморфизмом железа.

Сплав ΙΙΙ, содержащий 0,16%С при кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур точек 8-9, образует кристаллы феррита, которые при температуре точки 9 имеют состав точки Н, а оставшаяся жидкость – состав точки В. При температуре 1499⁰С протекает перитектическая реакция. Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуются кристаллы аустенита состава точки J. Согласно правилу фаз перитектический процесс идет изотермически и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю.

Сплавы типа ΙΙ имеют содержание углерода от 0,1 до 0,16%. В интервале  температур точек 5-6 выделяется феррит. При температуре точки 6 в сплаве ΙΙ содержатся избытки феррита. В  результате перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы аустенита при сохранении некоторого количества феррита:

Ф_н + Ж_в = А_j + Ф_н(ост).

При дальнейшем охлаждении этот остаток феррита перекристаллизуется в аустенит с тем содержанием углерода, которое имеет сплав.

Сплавы типа ΙV содержат углерод  от 0,16 до 0,51%. При температуре точки 11 они имеют избыток жидкой фазы, по сравнению со сплавом   ΙΙΙ. В результате перитектический процесс заканчивается образованием аустенита при сохранении некоторого количества жидкой фазы:

Ф_н + Ж_в = А_j + Ж_в(ост).

При дальнейшем охлаждении в интервале температур точек 11-12 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аустенит. Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изменяется по линии JE.

Таким образом, все рассмотренные  сплавы, лежащие ниже линий NJ и JE, находятся в твердом состоянии и имеют аустенитную структуру.

Превращения сталей в твердом  состоянии. Большинство технологических  операций (термическая обработка, обработка  давлением и др.) проводят в твердом  состоянии, поэтому рассмотрим более  подробно превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJE).

Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рисунок 3).

 

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02%С (точка Р диаграммы), называют техническим железом.

Если углерода содержится меньше 0,0002% (сплав Ι), то при охлаждении от температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная  структура сохраняется вплоть до температуры 20-25%С (рисунок 3а)

При содержании углерода в  техническом железе больше 0,0002%, как  в сплаве ΙΙ, после образования  феррита, начиная с температуры  точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (линия PQ). Конечная структура будет двухфазной: феррити третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен. Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

При температуре 20-25⁰С третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002%С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02% о третичном цементите не упоминают.

Сплав ΙΙ (рисунок 3б) с содержанием 0,8%С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02%С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом. Эвтектоидное превращение идет при постоянных температуре и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы, и число степеней свободы равно 0.

Сплав Ι (рисунок 3б) с содержанием  углерода менее 0,8% называют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1-2. При температуре точки b фазовый состав сплава А_с+Ф_а. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и bc.

При температуре точки 2 сплав  имеет фазовый состав А_s + Ф_р с количественным соотношением фаз соответственно Р2 и 2S.

 В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделив

шимся ранее феритом образет конечную структуру стали.

Количественное соотношение  между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода.Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.

Сплав ΙΙΙ – заэвтектоидная сталь (>0,8%С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3-4 предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (Ц_ΙΙ). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленом охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки. Максимальное количество структурно свободного цементита ( 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

Превращение чугунов. В сплавах с содержанием углерода более 2,14% при кристаллизации происходит эвтектическое превращение. Такие сплавы называют белыми чугунами.

Сплав ΙΙ (рисунок 4) – эвтектоидный белый чугун (4,3%С) кристаллизуется при эвтектической температуре изотермическис одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. Образующаяся смесь этих фаз названа ледебуритом. Фазовый состав ледебурита, как и любой эвтектики, постоянен и определяется отношением отрезков Ц / А_Е = ЕС /СF.

 

 

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените  изменяется по линии ES вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8%. При температуре линии PSK аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит.

В доэвтектических белых чугунах (4,3%С) кристаллизация сплава начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве Ι этот процесс идет в интервале температур точек 1-2. При температуре точки 2 образуется  эвтевтика (ледебурит) по реакции

Ж_С + А_Е А_Е + Ц] + А_Е.

При последующем охлаждении из аустенита, структурно свободного и  входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при температуре 727⁰С превращается в перлит.

Сплав ΙΙΙ – заэвтектический белый чугун (4,3% С). В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита, который выделяется в интервале температур точек 5-6; при этом состав жидкой фазы изменяется согласно линии DC. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении происходят превращения в твердом состоянии, такие же, как в сплаве ΙΙ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Термо- и реактопласты. В чем их различие по структуре и свойствам

 

Пластическими массами или  просто пластмассами называют материалы, изготовленные на основе полимеров.

Термопластичные пластмассы (термопласты) в отличие от термореактивных нашли более широкое применение и производятся в больших количествах. Значительная часть термопластичных полимеров перерабатывается в пленку, волокна и изделия из волокна, которые трудно или вовсе невозможно изготовить из термореактивных полимеров.

Поведение пластмассы под  нагрузкой имеет очень сложный  характер. Изменения внешних условий  и скоростей деформирования, которые  совсем не отражаются на механических свойствах металлических сплавов, резко изменяют механические свойства термопластичных полимеров и пластмасс. Чувствительность механических свойств термопластов к скорости деформирования, времени действия нагрузки, температуре, структуре является их типичной особенностью.

Стеклообразные термопласты  при растяжении, как правило, сильно вытягиваются. При разрыве остаточная деформация составляет десятки и сотни процентов. Эта деформация называется вынужденной высокоэластичной; она возникает в результате вытягивания скрученных макромолекул под действием нагрузки. При растяжении материал начинает течь, в образце появляется шейка. При разрыве образца вынужденная высокоэластичная деформация не падает до нуля, так как в стеклообразном состоянии растянутые макромолекулы не могут скручиваться и сохраняют полученную вытяжку. Чем больше молекулярная масса полимера, тем больше общая деформация перед разрывом.

Особенности механических свойств  термопластов:

1. Зависимость от температуры. При нагреве уменьшается прочность, пластмассы становятся более вязкими и склонными к ползучести.

2. Вблизи температуры стеклования (или температуры кристаллизации для кристаллических термопластов) теряется несущая способность. Полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид при температурах ниже 100⁰С теряют прочность так сильно, что их нельзя использовать как конструкционные материалы уже и при 50⁰С.

При  охлаждении ниже 25⁰С прочность растет, но одновременно увеличиваются хрупкость и чувствительность к надрезам.

3. Зависимость от длительности нагружения. При длительном действии нагрузки уменьшается прочность, появляется остаточная деформация. Эта деформация представляет собой вынужденную высокоэластичную деформацию. При статическом нагружении в течение года временное сопротивление понижается вдвое.
4. Зависимость от скорости деформирования.При увеличении скорости деформирования повышается жесткость пластмасс, так как не успевает развиваться высокоэластичная деформация, и возрастает склонность к хрупкому разрушению.
5. Зависимость от структуры. Пластмассы с ориентированной молекулярной структурой анизотропны. Вытяжка термопластов в 2-4 раза увеличивает их прочность вдвое. Прочность максимальна вдоль ориентированных вытянутых молекул, а в поперечном направлении – уменьшена. Ориентация молекул – одна из причин растрескивания изделий, особенно под влиянием некоторых растворителей и других активных сред.

Модули упругости термопластичных  полимеров и пластмасс в 10-100 раз  меньше, чем у металлов и керамики. Наиболее жесткие полистирол и органическое стекло при 25⁰С имеют модули упругости соответственно 3,5*10³ и 3,3*10³ Мпа, а наименее жесткий полиэтилен имеет модуль упругости всего 1,8*10³ Мпа, да и то при -50⁰С.

 

Прочность термоластов находится в пределах 10-100 Мпа. Этого вполне достаточно для многих целей, несмотря на то, что допускаемые напряжения не превышают 10 Мпа. Термопластичные пластмассы хорошо сопротивляются усталости, а долговечность пластмасс выше, чем у многих сталей и сплавов. Предел выносливости равен 0,2-0,3 временного сопротивления. Однако, когда нагрузка изменяется с частотой выше 20 Гц, пластмассы разрушаются быстро из-за поглощения энергии, разогрева и уменьшения прочности.

Механические свойства термопластов улучшаются при использовании в  качестве наполнителя 20-30% стеклянного  волокна. При этом сохраняется возможность  переработки термопластов с использованием литья под давлением и экструзии. Наполненные пластмассы отличаются высокой стабильностью размеров под действием нагрузки, повышенной прочностью, но хуже сопротивляются ударам.