Контрольная работа по "Материаловедение"

К1 в1

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. Начало изучению железоуглеродистых сплавов и процессов  термической обработки было положено опубликованной в 1868 г. Работой Д.К. Чернова «Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.К. Чернова по этому же предмету». Д.К. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и дал первое представление о диаграмме железо-цементит. В дальнейшем изучению железоуглеродистых сплавов и построению диаграмм железо-углерод были посвящены работы Ф. Осмонда, Ле-Шателье (Франция), Р. Аустена (Англия), А.А. Байкова и Н.Т. Гудцова (Россия), Розенбаума (Голландия), П. Геренса (Германия) и др.

Основными компонентами, от которых зависит структура  и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое железо - металл серебристо-белого цвета; температура  плавления 1539°С. Железо имеет две  полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С; γ-железо - при 911-1392°С.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие  структурные составляющие.

1. Феррит (Ф) - твердый  раствор внедрения углерода в  α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; φ=80%).

2. Аустенит (А) - твердый  раствор внедрения углерода в  γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ=40-50%).

3. Цементит (Ц) - химическое  соединение железа с углеродом  (карбид железа Fe3C). В цементите  содержится 6,67% углерода. Температура  плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ~800), хрупок  и практически не обладает  пластичностью. Цементит неустойчив  и в определенных условиях  распадается, выделяя свободный  углерод в виде графита по  реакции Fe3C→3Fe+C.

4. Графит - это свободный  углерод, мягок (НВ 3) и обладает  низкой прочностью. В чугунах  и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.

5. Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т. е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв=800 МПа; относительное удлинение δ=15%; твердость НВ 160. Перлит образуется следующим образом. Пластинка (глобуль) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неметаллическое включение. При этом соседние области обедняются углеродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

6. Ледебурит (Л) - механическая  смесь (эвтектика) аустенита и  цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727°С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом.

Помимо перечисленных  структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные  неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и  фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5-0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

Диаграмма состояния  железо - цементит. В диаграмме состояния  железо – цементит (Fe-Fe3C) рассматриваются  процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения  в их структурах при медленном  охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры. Диаграмма (рис.18) показывает фазовый состав и структуру  сплавов с концентрацией от чистого  железа до цементита (6,67% С). Сплавы с  содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% - чугуном.

Диаграмма состояния Fe-Fe3C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т. е. затвердевание  жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D – температуре ~1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса AECF соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD - цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147°С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику - ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14-4,3% С - аустенита, а в интервале 4,3-6,67% С - цементита первичного (см. рис. 18).

В результате первичной  кристаллизации во всех сплавах с  содержанием углерода до 2,14%, т. е. в  сталях, образуется однофазная структура - аустенит. В сплавах с содержанием  углерода более 2,14%, т. е. в чугунах, при  первич ной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Рис. 18. Диаграмма  состояния железо-цементит (в упрощенном виде):

А – аустенит, П – перлит, Л – ледебурит, Ф – феррит, Ц - цементит 

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих  линиям GSE, PSK и GPQ. Превращения в твердом  состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической  модификации в другую (γ в α) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с  выделением феррита при температурах, соответствующих линий GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих линии SE. Вторичным  называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделяющегося  из жидкого расплава. В области  диаграммы GSP находится смесь феррита  и распадающегося аустенита. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих  линии PQ, из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что  с понижением температуры растворимость  углерода в феррите уменьшается  от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре.

В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита - перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 19,6). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода, называют доэвтектоидными (рис. 19, а ) , а от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидными (рис. 19, в).

При температурах, соответствующих  линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, представляющего  собой механическую смесь феррита  и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения.

При температурах, соответствующих  линии SE, аустенит насыщен углеродом, и при понижении температуры  из него выделяется избыточный углерод  в виде цементита (вторичного).

Вертикаль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно  отражается на свойствах сплавов. Самые  крупные кристаллы цементита  образуются, когда он выделяется при  первичной кристаллизации из жидкости.

Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 20). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода - заэвтектическими.

По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит+цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем меньше в нем перлита и больше ледебурита.

Белый эвтектический  чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, содержащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения состоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит превращается в перлит, т. е. ледебурит при комнатной температуре представляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.

Диаграмма состояния  железо-цементит имеет большое практическое значение. Ее применяют для определения  тепловых режимов термической обработки  и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для  определения температуры плавления, чтo необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы. 

Рис. 19. Микроструктура:

а – доэвтектоидная сталь – феррит (светлые участки) и перлит (темные участки) при 500х увеличении, б – эвтектоидная сталь – перлит (1000х), в – заэвтектоидная сталь – перлит и цементит в виде сетки (200х) 

Рис. 20. Микроструктура белого чугуна при 500х увеличении:

а- доэвтектический чугун – перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), б – эвтектический чугун – ледебурит (смесь перлита и цементита), в – заэвтектический чугун – цементит (светлые пластины) и ледебурит 
 
 
 

к1в2

Термическая (тепловая) обработка металлов и сплавов  — это технологический процесс, связанный с нагревом и охлаждением, вызывающий изменение структуры  сплава и, как следствие этого, изменение  его свойств.

При нагреве стали  выше критической точки (727оС) перлит переходит в аустенит. В каждом зерне перлита образуется несколько  зерен аустенита. Следовательно, при  переходе через точку Ас1 происходит измельчение зерна стали [1].

В процессе охлаждения, когда аустенит переходит в перлит, размеры зерна не изменяются. Какими были зерна аустенита, такими будут  и зерна перлита. Зерно стали, полученное в результате той или  иной обработки, называется действительным. Все свойства стали зависят только от размеров действительного зерна.

Стали с мелкозернистой структурой имеют более высокую  динамическую и усталостную прочность, низкий порог хладноломкости. Укрупнение зерна в результате высокотемпературного нагрева (перегрев стали) в 2 — 3 раза снижает  ударную вязкость и предел выносливости, повышает порог хладноломкости.

В большинстве случаев  решающая роль в получении заданной структуры и свойств стали принадлежит охлаждению. Переохлаждение аустенита до температуры 700 — 550оС приводит к образованию эвтектоидной смеси феррита и цементита различной дисперсности. При малой степени переохлаждения (700 — 650оС) образуется перлит с твердостью 180 — 250 НВ. С увеличением скорости охлаждения и степени переохлаждения количество ферритоцементитных пластинок увеличивается, а их размеры и расстояния между ними уменьшаются. При переохлаждении до 650 — 600оС образуется дисперсная структура — сорбит (твердость 250 — 350 НВ), а до 600 — 550оС — мелкодисперсная структура — троостит (350 — 450 НВ).

Если нагретую до аустенитного состояния сталь переохладить до 250 — 150оС (в каком-либо охладителе), то произойдет перестройка решетки гамма-железа в альфа-железо. Решетка альфа-железа будет искажена углеродом и станет тетрагональной. Такой пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе называется мартенсит — основная структура закаленной стали. Его твердость — 62 — 64 HRC (600 — 660 НВ).

Термическую обработку  разделяют на предварительную и окончательную. Предварительной обработке — отжигу или нормализации — подвергают в основном заготовки (поковки, отливки) для улучшения их обрабатываемости, снижения твердости, исправления структуры и т. д. Окончательной обработке — закалке с отпуском — подвергают готовые детали для получения свойств, необходимых в эксплуатации.

Закалкой называется термическая операция, связанная  с нагревом стали выше температуры  фазовых превращений, с выдержкой  и последующим быстрым охлаждением (в каком-либо охладителе). Цель закалки  — придание стали высокой твердости  и прочности путем образования  неравновесной структуры: мартенсита или бейнита (игольчатого троостита).