ответы на материаловедение 2 семестр. матвед экзамен. 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов

• Название: 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов
• Анкор: ответы на материаловедение 2 семестр
• Дата: 13.09.2019
• Размер: 4.93 Mb.
• Имя файла: матвед экзамен.docx
• Тип: Документы; #86730
• страница: 7 из 15

Нормализация.

Нормализация – термическая обработка, заключающаяся в нагреве до температур на 3050C выше А_c1 доэвтектоидных и A_cm заэвтектоидных сталей, выдержке для прогрева и завершения фазовых превращений, и охлаждении на спокойном воздухе. Распад аустенита в процессе охлаждения на воздухе происходит в температурном интервале перлитного превращения, но при таких степенях переохлаждения образуется ферритно–цементитная смесь более тонкого строения, чем перлит. При нормализации сталь приобретает структуру сорбита или сорбитообразного перлита.

Для сталей разного состава нормализация выполняется с различными целями.

Для доэвтектоидных низкоуглеродистых (до 0,3% углерода) сталей нормализацию часто применяют вместо отжига. В этом случае она является предварительной или промежуточной термической обработкой, которую проводят на заготовках с целью улучшения их обрабатываемости резанием. Твердость заготовок этих сталей нормализации лишь немного выше, чем после отжига (120HB и 130НВ, для стали с 0,2% углерода после отжига и нормализации соответственно). Такое повышение твердости не требует изменения режимов резания, но улучшает качество обрабатываемой поверхности (снижается шероховатость) из–за уменьшения налипания обрабатываемого материала на инструмент. Использование для низкоуглеродистых сталей нормализации вместо отжига является также экономически оправданным, так как она менее продолжительна и требует меньших энергетических затрат.

Для конструкционных среднеуглеродистых улучшаемых сталей, содержащих 0,3¸0,55% углерода, нормализацию применяют вместо улучшения в целях сокращения времени и энергетических затрат.

В этом случае нормализация является упрочняющей термической обработкой, которую проводят на деталях и, в ряде случаев, на заготовках.

Механические свойства (предел текучести, пластичность и ударная вязкость) после нормализации (структура пластинчатого сорбита) ниже, чем после улучшения (зернистый сорбит). Поэтому нормализацию используют при изготовлении слабо нагруженных и менее ответственных деталей, а улучшение – для тяжелонагруженных деталей машин.

Для высокоуглеродистых заэвтектоидных инструментальных сталей нормализацию применяют для устранения сетки вторичного цементита, которая возникает в результате нарушения температурного режима горячей пластической деформации и перегрева при отжиге. Присутствие в структуре цементитной сетки нежелательно, поскольку она в дальнейшем сохраняется после закалки и отпуска, снижая пластичность и вязкость стали и вызывая выкрашивания на режущей кромке инструментов. При нагреве выше температуры A_cm (в процессе нормализации) вторичный цементит растворяется в аустените. Во время последующего ускоренного охлаждения на воздухе образуется большое количество центров кристаллизации цементита во всем объеме зерен аустенита, замедляются диффузионные процессы, и цементитная сетка по границам зерен не образуется.

27. Железо и его сплавы. Критические точки железа

Сплавы железа широко используются в современной технике. Наибольшее применение нашли сплавы железа с углеродом – стали и чугуны. Объем их производства более чем в 10 раз превышает производство всех других металлов вместе взятых.

Железо является полиморфным металлом и в твердом состоянии может находиться в двух модификациях: железо– и железо–.

Железо– () имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку (ОЦК) с периодом а=0,286нм. Существует при температурах до 910°С и от 1392°С до 1539°С. Железо– является магнитным (ферромагнитным) металлом, но при температуре 768°С испытывает магнитное превращение, переходя из ферромагнитного в парамагнитное (слабомагнитное) состояние. Температуру 768°С, при которой оно теряет свои магнитные свойства, называют точкой Кюри. Железо–, существующее при температурах выше 1392°С, часто обозначают как железо– ().

Железо– () имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку (ГЦК) с периодом а=0,364нм. Существует в интервале температур 9101392°С и является парамагнитным. Температура плавления железа 1539°С.

Таким образом, при нагреве железо претерпевает следующие превращения:

Температуры, при которых происходят превращения, называют критическими точками Д.К. Чернова и обозначают буквой А с соответствующим номером.
28.Соединения железа с углеродом. Фазы и структуры в сплавах железо-углерод

УГЛЕРОД является неметаллическим элементом второго периода 4 группы периодической системы, атомный номер 6, атомная масса 12,011, атомный радиус 0,077 нм, температура плавления 3500 градусов Цельсия. Углерод полиморфен и может существовать в виде графита или алмаза. Углерод растворим в железе, находящемся в жидком состоянии.

ЦЕМЕНТИТ (Ц)– химическое соединение, представляет собой карбид железа. Максимальное содержание углерода в нем составляет 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов, высокую твердость 800-850 HV и низкую пластичность. Температура плавление цементита – около 1500 градусов Цельсия. Цементит является метастабильной фазой и при определенных условиях в сплавах с высоким содержанием углерода может распадаться с образованием свободного углерода в видео графита.

ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ – Феррит и Аустенит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе. Растворимость углерода в феррите – незначительна, т.к. центр куба кубической объемно-центрированной (ОЦК) решетки альфа-железа занят атомом железа. Атом углерода может располагаться в междоузлиях решетки Феррита. Вместе с тем, растворимость углерода возрастает при нагреве. Так, в низкотемпературном альфа-феррите она составляет 0,006% при температуре 20 градусов Цельсия (комнатная) и достигает максимального значения 0,02% при температуре 727 градусов Цельсия. Феррит имеет невысокие прочностные свойства (80 HB) и высокую пластичность.

Аустенит(А) – твердый раствор углерода в гамма-железе. Растворимость углерода в аустените значительно выше, чем в Ф. Растворимость углерода в А также повышается при нагреве от 0,8% при 727 градусах Цельсия до 2,14% (предельная растворимость) при температуре 1147 градусов Цельсия. Для него характерны : -высокая пластичность

-низкая прочность и низкий предел текучести;

-твердость А – 170-200 HB.

СМЕСИ. Эвтектика – ледебурит (Л), представляющий собой смесь А + Ц. Образуется при кристаллизации жидкости при постоянной температуре 1147 градусов, содержит 4,3% углерода; имеет низкую пластичность, высокую твердость 550 HB. Эвтектическая реакция протекает у всех сплавов системы Железо- углерод, содержащих более 2,14% С. В этих сплавах жидкость, сохраняющаяся к концу кристаллизации, получает (или имеет изначально) эвтектический химический состав и кристаллизуется в ледебурит.

Эвтектоид – перлит (П), представляющий собой смесь Ф+Ц. Образуется в результате эвтектоидного превращения А при постоянной температуре 727 градусов, содержит 0,8% С, имеет твердость 180HB, предел прочности – 600 Мпа. Перлит, образующийся при медленном охлаждении, имеет пластинчатое строение, состоящее из чередующихся пластин Ф и Ц. После специальной термообработки перлит приобретает зернистое строение. В этом случае Ц образует округлые зерна - сфероиды. Эвтектоидная реакция протекает во всех сплавах данной системы, содержащих более 0,02% С. Эвтектоидное превращение претерпевает также и аустенит, входящий в состав Ледебурита. Поэтому структура Л в процессе охлаждения сплавов изменяется. Л, образовавшийся в процессе кристаллизации, является смесью А+Ц. Этот Ледебурит – аустенитный. При охлаждении, когда температура достигает 727 градусов, происходит эвтектоидное (перлитное) превращение, в результате которого А превращается в П, Л становится смесью П+Ц. Его называют перлитовым.
29. Превращения в сплавах «Железо-цементит»

Наиболее широко применяются сплавы системы железо-углерод, содержащие до 6,67% углерода, что соответствует его концентрации в цементите. Поэтому мы рассматриваем диаграмму состояния «Железо – цементит» которая имеет исключительно важное значение для обоснованного выбора железоуглеродистых сплавов при изготовлении изделий различного назначения, для теории и практики их термической обработки.

Во-первых, на основе диаграммы возможно установить характер превращений и структуру сплавов в зависимости от концентрации в них углерода и температуры.

Во-вторых, по диаграмме «Железо – цементит» выбирают температуру нагрева для основных видов термической обработки заготовок и изделий.

Диаграмма «Железо-цементит» отражает метастабильное состояние сплавов, которое достаточно термодинамически устойчиво. Это устойчивое состояние достигается в результате очень медленного нагрева или охлаждения сплавов до заданной температуры.

На диаграмме – линия ABCD является ликвидусом системы, линия AHJECF – солидусом.

Первичная кристаллизация сплавов, содержащих до 0,1% углерода, начинается с выделения из жидкости дельта-феррита, который затем превращается в аустенит в результате полиморфного превращения железа-альфа(дельта) в железо-гамма.

При первичной кристаллизации сплавов, содержащих 0,1-0,5% углерода, происходит перитектическое превращение. Выделяющийся из жидкости дельта-феррит при температуре 1499 градусов вступает в перитектическую реакцию с жидкостью, в результате которой получается АУСТЕНИТ.

При содержании в сплаве углерода менее 0, 16% после перитектического превращения сохраняется избыточный дельта-феррит, который затем превращается в аустенит в результате полиморфного превращения железа-альфа(дельта) в железо-гамма.

В сплавах с углеродом более 0,16% после перитектического превращения сохраняется избыточная жидкость, которая при дальнейшем охлаждении кристаллизуется в АУСТЕНИТ.
30.Классификация сплавов по структуре на диаграмме «Железо-Цементит»

Анализ превращений, протекающих в сплавах системы железо-углерод, изменений их структуры в зависимости от температуры и концентрации углерода дает возможность выделить три группы сплавов. При их определении принято учитывать технологические возможности получения из них заготовок (деталей).

Техническое железо – сплавы, содержащие до 0,02% углерода. При охлаждении и нагреве они испытывают только полиморфное альфа<->гамма превращение. Имеют окончательную структуру феррита (до 0,006% углерода) или феррита и цементита третичного (0,006 – 0,02% углерода). Техническое железо обладает:

Высокой пластичностью;

Хорошими магнитными свойствами.

Цементит третичный, выделяющийся по границам зерен феррита, снижает пластичность. Техническое железо часто называют ферритным железом.

Стали – деформируемые сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02 – 2,14% углерода. В результате первичной кристаллизации или при нагреве выше линии GSE (например, слитков или заготовок) они получают однофазную структуру аустенита, обладающего высокой пластичностью. Поэтому стали ЛЕГКО ДЕФОРМИРУЮТСЯ при повышенных температурах, а низкоуглеродистые и среднеуглеродистые и при нормальных температурах. Заготовки (детали) из сталей получают различными технологическими способами пластического деформирования (ковка, прокатка, штамповка, волочение).

Чугуны – литейные сплавы железа с углеродом, содержащие 2,14 – 6,67% углерода. Они содержат в структуре после первичной кристаллизации хрупкий ледебурит с избыточным аустенитом или цементитом первичным и не воспринимают пластическую деформацию. Вместе с тем, что они обладают значительно лучшими литейными свойствами, т.к. имеют более низкую температуру кристаллизации, меньшие ликвацию и усадку, и хорошую жидкотекучесть. Заготовки (детали) из чугуна получают литьем.

31. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Влияние углерода. Стали, как это видно из диаграммы состояния, имеют после медленного охлаждения достаточно сложную структуру. Однако, во всех случаях она состоит из двух фаз – феррита и цементита (Ф+Ц), количество которого возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода. Цементит в структуре присутствует или как самостоятельная фаза, или в составе перлита. Поскольку цементит имеет твердость (HV800850) на порядок большую твердости феррита (HV80), то с увеличением в стали углерода возрастают её твердость, предел прочности, предел текучести и, наоборот, снижаются пластичность (относительное удлинение, относительное сужение) и ударная вязкость. Это связано с тем, что частицы цементита, являясь препятствиями на пути движущихся дислокаций, повышают сопротивление сдвигу.

При повышении содержания углерода в стали более 1,01,1% при повышении твердости предел прочности уменьшается. Это объясняется выделением по границам зерен перлита цементита вторичного в виде сплошной цементитной сетки, которая становится концентратором высоких напряжений, что приводит к разрушению при меньших нагрузках.

Влияние серы. Сера попадает в металл из руд и печных газов и является вредной примесью в стали. Полностью растворяясь в жидком металле, сера лишь в очень незначительных количествах растворяется в железе в твердом состоянии и образует с ним химическое соединение – сульфид железа FeS. Ее растворимость даже при нагреве до 988°С в железе– (в аустените) не превышает 0,0250,03%. При температуре 988°С в сплаве образуется хрупкая сульфидная эвтектика (рис.7.3), представляющая собой смесь аустенита (феррита) и сульфида: А(Ф)+FeS. Эвтектика при кристаллизации располагается по границам зерен. Чем больше в стали серы, тем больше эвтектики в структуре. Однако даже при незначительном содержании серы в стали, ввиду ее повышенной склонности к ликвации, в металле образуются участки, обогащенные серой, в которых формируется эвтектика. При последующем нагреве слитка до температур 900–1150⁰С, при которых осуществляется пластическая деформация (прокатка, ковка), легкоплавкая эвтектика плавится (в районе температур красного каления). Возникают участки жидкости в металле, по которым при деформировании слиток разрушается («ломается») или возникают надрывы и трещины. Это явление называют красноломкостью.

Красноломкость отсутствует при содержании серы в стали до 0,025%, так как она в таких количествах растворяется в железе и эвтектика не образуется. Красноломкость устраняется, кроме того, введением в сталь марганца. Марганец восстанавливает железо из его сульфида, образуя собственный тугоплавкий сульфид по следующей реакции: . Поскольку сульфид марганца имеет температуру плавления 1620⁰С, то он не растворяется в железе не только в твердом, но и в жидком состоянии. По этой причине в стали не образуется эвтектики, содержащей сульфид марганца. Он располагается в виде отдельных включений, которые в деформированной стали вытягиваются в направлении пластической деформации (например прокатки). Сульфиды значительно снижают ударную вязкость и пластичность, вызывают анизотропию свойств, а также уменьшают предел выносливости.

Содержание серы в стали строго ограничивается; оно не должно превышать в разных сталях 0,0250,06%.

Влияние фосфора. Фосфор также является вредной примесью и попадает в чугун при выплавке из руд и флюсов, а затем переходит в сталь. В отличие от серы фосфор в значительно больших количествах растворяется в феррите (до 1,2%). Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает его кристаллическую решетку, увеличивая предел прочности и предел текучести, но существенно снижая пластичность и ударную вязкость. Последние особенно сильно снижаются при низких температурах.

У всех металлов вязкость уменьшается при понижении температуры (особенно в область отрицательных температур). Существует температурная граница перехода металла из вязкого состояния в хрупкое (резкое снижение ударной вязкости). Ее называют порогом хладноломкости. Фосфор вызывает хладноломкость; он сдвигает порог хладноломкости в сторону более высоких температур.

Фосфор, как и сера, склонен к повышенной ликвации. В результате центральные зоны слитка обогащаются фосфором и имеют резко сниженную вязкость. Содержание фосфора в стали также строго регламентируется и не должно превышать в разных сталях 0,025–0,07%.

Влияние газов (кислорода, азота). Кислород и азот присутствует в стали в виде хрупких неметаллических включений (оксидов FeO, SiO₂, Al₂O₃ и нитридов Fe₄N и др.) или в свободном виде (в газообразном состоянии) в несплошностях металла (в раковинах и трещинах слитков). Мелкие частицы оксидов и нитридов располагаются по границам зерен и являются концентраторами напряжений, вызывая повышение порога хладноломкости и снижение ударной вязкости. Кислород и азот присутствуют в незначительных количествах в стали, но заметно ухудшают ее свойства.

Влияние марганца и кремния. Марганец и кремний являются полезными примесями, поскольку в качестве технологических добавок специально вводятся при выплавке чугуна и стали в расплавленный металл для раскисления. Как раскислители они необходимы для восстановления железа из его оксидов и удаления кислорода. Это происходит по следующим реакциям:





Образующиеся в результате раскисления MnO и SiO₂ всплывают в шлак, который удаляется перед разливкой металла.

Кроме того:

марганец устраняет вредное влияние серы, предупреждая появление красноломкости, как это рассмотрено ранее;

кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка.

После раскисления в стали сохраняется 0,50,8% марганца и 0,350,4% кремния. Последний полностью растворяется в феррите и заметно повышает предел текучести и снижает пластичность.

В качестве раскислителя используется также алюминий. Однако, он не остается в стали, т.к. образующийся при раскислении Al₂O₃, всплывая в шлак, практически полностью выводит алюминий из металла.

В зависимости от условий и степени раскисления при выплавке металла различают спокойные, кипящие и полуспокойные стали.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Полное раскисление достигается введением этих раскислителей в жидкий металл как непосредственно в печи, так и в ковше перед разливкой в изложницы.

Кипящие стали раскисляют только марганцем. В жидком металле в этом случае до кристаллизации сохраняется повышенное количество FeO. После разливки металла в изложнице FeO реагирует с углеродом, в результате чего образуется CO, пузырьки которого, выходя на поверхность, создают впечатление кипения стали. Слиток кипящей стали содержит большое количество газовых пузырей, которые при горячей прокатке завариваются. Кипящие стали склонны к хладноломкости, отличаются более низким пределом прочности и пределом текучести, худшей свариваемостью, но обладают более высокой пластичностью. Они хорошо воспринимают пластическую деформацию при холодной вытяжке.

Полуспокойные стали раскисляются марганцем и алюминием; по своим свойствам занимают промежуточное положение.