ответы на экзамен материаловедение. ответы. 13. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
![]()
|
13. Диаграмма состояния железо-углеродистых сплавов. Диаграмма состояния железо-углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов- сталей и чугунов. Ось абсцисс (концентрационная) на этом рисунке двойная: содержание углерода и содержание цементита. Линия АВСД является ликвидусом системы, линия AHJECF-солидусом. Так как железо, кроме того, что образует с углеродом химическое соединение Fe3C, имеет две аллотропические формы альфа и гамма, то в системе существуют следующие фазы: Жидкость (жидкий раствор углерода в железе), существующая выше линии ликвидус; Цементит Fe3C – линия DFKL. Феррит – структурная составляющая, представляющая собой а-железо, которое в незначительном количестве растворяет углерод. Аустенит – структура, представляющая собой твердый раствор углерода в y-железе. В системе на разных ярусах проходят эвтектическое и эвтектоидное превращения. По линии ECF при 1147 С происходит эвтектическое превращение: ЖА+Ц. Образующаяся эвтектика называется ледебуритом. Ледебурит(Л) – эвтектика системы Fe-Fe3C – механическая смесь аустенита и цементита. По линии PSK при 727 С происходит эвтектоидное превращение: АФ+Ц, в результате которого из аустенита, содержащего 0,8%С, образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации эвтектики, но не из жидкости, а из твердого раствора. Образующийся эвтектойд называется перлитом. Перлит(П) – механическая смесь феррита и цементита. Аустенит, входящий в состав ледебурита, при 727 С также испытывает эвтектоидное превращение. Поэтому ниже 727 С ледебурит состоит из смеси перлита и цементита. 14. Углеродистые стали. Химический состав, классификация, маркировка, назначение. Хладноломкость и красноломкость углеродистых сталей. Сплавы железа с углеродом, содержащим до 2,14%С(точка Е), при малом содержании других элементов называются углеродистыми сталями. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25%С), среднеуглеродистые ( 0,25…0,6%С) и высокоуглеродистые ( более 0,6%С). Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству. По структуре различают: 1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8%С, структура которой состоит из феррита и перлита; 2) эвтектоидную, содержащую около 0,8%С, структура которой состоит только из перлита; 3) заэвтектоидную, содержащую 0,8-2,14%С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита. По способу производства различают стали, выплавляемые в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом. По способу раскисленя различают кипящие(недостаточно раскислены, имеют большое количество закиси железа, которая реагирует с углеродом металла, образуя окись углерода СО), полуспокойные(промежуточного типа) и спокойные стали(полное раскисление металла в печи, содержит мин. количество FeO (закиси), что обеспечивает спокойное застывание). По качеству различают стали обыкновенного качества и качественные стали. Стали обыкновенного качества содержат не более 0,05%S и не более 0,04%P. Качественные стали содержат менее 0,02%S и 0,03%P. В зависимости от гарантируемых химического состава и свойств углеродистые стали обыкновенного качества делят на три группы А, Б,В. Группа А – поставляются с гарантированными механическими свойствами без уточнения хим. состава. Чем больше цифра, тем больше предел прочности. Группа Б – поставляются с гарантированным составом (содержание углерода). Чем больше цифра, тем больше содержится углерода. Группа В – поставляются с гарантированным хим. составом и механическими свойствами. Маркировка. Обыкновенного качества: «Ст» и цифрами от 0 до 6(условный номер марки стали в зависимости от химического состава. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 05, 10, …60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Углеродистые стали(У), содержащие 0,7-1,3%С, используют для изгот ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7, У13, цифра-содержание углерода в десятых долях. S – вызывает явление красноломкости – разрушение металла в красном состоянии. Повышает коррозию, ухудшает свариваемость, снижает пластичность и вязкость. Р – растворяется в феррите и повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Повышает порог хладноломкости – разрушения металла при отрицательных температурах, способствует ликвации, снижает пластичность и вязкость. 15. Чугуны. Химический состав, классификация и назначение серых чугунов. Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Чугуны обладают очень хорошими литейными свойствами, высокой износостойкостью, и хорошёй обрабатываемостью резаньем. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают: 1)Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида 2) серый – С в свободном состоянии в форме пластинчатого графита; 3) высокопрочный -С в свободном состоянии в форме шаровидного графита; 4) ковкий –получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. С – в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита. Маркировка: С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79. Серый чугун( излом серого цвета; имеется графит). По строению мет-ой . основы серые чугуны подразделяются на: Серый перлитный – перлит + включения графита. 0,8% углерода в виде Fe3C, остальное графит. Серый феррито - перлитный – Ф + П + включения графита. В этом чугуне количество связанного углерода <0,8% углерода Серый ферритный – мет-кой основой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в форме графита. Примеси: Si – 1.5-4% способствует повышению прочности, Mn – 1.25-4% задерживает образование графита, растворяется в феррите и повышает его прочность., S – 0.1-0.12% ухудшает жидкотекучесть, способствует образованию раковин, снижает мех. свойства, P – 0.4-0.5% улучшает жидкотекучесть, увеличивает твёрдость и износостойкость. Из серых чугунов изготавливают детали простой конфигурации (крышки, стойки, кожухи, шкивы, кронштейны, зубчатые колеса, тормозные барабаны, станины станков, корпусы, коленчатые валы и др.). 16. Влияние скорости охлаждения на процесс графитизации в серых чугунах. Серые чугуны на ферритной, ферритно-перлитной, перлитной и перлитно-цементитной основе. Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении сплавов железа с углеродом. Графитизация чугуна зависит от ряда факторов. К ним относятся соответствующие в чугуне ценры графитизации, скорость охлаждения и химический состав чугуна. Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна является диффузионным процессом и протекает медленно. Чем меньше охлаждение, тем большее развитие получает процесс графитизации. Медленное охлаждение способствует получению серого чугуна. В ![]() Процесс выделения графита из жидкой фазы, а также распад первичного и эвтектического цементита на смесь А+Гр носит название первой стадии графитизации. Выделение вторичного графита из аустенита называется промежуточной стадией графитизации. Образование эвтектоидного графита а также распад эфтектического цементита на смесь Ф+Гр называется второй стадией графитизации. ![]() 17. Ковкие чугуны и высокопрочные чугуны. Ковкий чугун – хлопьевидная форма графитовых включений. Получают из отливки белого чугуна в результате длительного отжига. Отливки ставят в ящик с песком, а затем вмести с ящиком в печь, где выдерживаются длительное время при t 950-970 С. ![]() 1) ![]() 2) Вторая стадия идёт двумя путями: а) Ф+Г – медленное охлаждение, б) выдержка ниже эвтектоидной температуры, распад ![]() 3)стадия Ф+П+Г Ковкий чугун используется для деталей не испытывающих вибрационные и ударные нагрузки. Высокопрочный чугун – графит имеет форму шара, так как в жидкий чугун добавляют присадки магния 0,03-0,04%. Применяется для крышек, цилиндров в авто и тяжёлом машиностроении, в хим. и нефтепромышленности для насосов и вентилей работающих в коррозионных средах. 18. Основные положения термической обработки сталей. Критические точки. Связь термической обработки с диаграммой состояния состояния сплавов. Целью является улучшение свойств металла путем изменения его структуры (строения). Структура металла определяет мех. свойства. Термообработка – воздействие температурой. Цель заключается в том, чтобы путем нагрева стали до определенных температур и последующего охлаждения вызвать желательное изменение структуры. Параметры: максимальная температура, до которой был нагрет металл, время, скорости нагревания и охлаждения. Температура, при нагреве до которой в стали происходят фазовые или структурные превращения, носит название критической точки или температуры. Ас1 – первая критическая точка. Ас2 = 768 – точка Кюри(изменение магнитных свойств; полная потеря ферромагнитных свойств). Ас3 – вторая критическая точка. Точка Ас1 соответствует перлитно-аустенитному превращению. На диаграмме занимает положение линии PSK. Ее положение не зависит от содержания углерода в стали. Положение точки Ас3 зависит от содержания углерода в стали и соответствует линии GS. В ![]() 19. Первое основное превращение стали (превращение перлита в аустенит). Для превращения перлита в аустенит нужен небольшой перегрев, чтобы свободная энергия Ау < свободной энергии П. Известно 2 механизма аллотропного превращения: диффузионный (нормальный), бездиффузионный (мартенситный). Превращение П-Ау носит диффузионный характер. Состав Ау отличается от состава ферритно-цементитной смеси. Превращение П-Ау – процесс кристаллизационный. Этот процесс развивается и происходит в результате образования зародышей Ау и последующего их роста. Количество возникающих зародышей тем больше, чем больше содержание углерода в стали и чем дисперснее ферритно-цементитная смесь. Кристалл Ау растет за счет поглощения Ф и растворения Ц. Причем скорость роста Ау за счет Ф больше, чем за счет Ц. Образовавшийся Ау по составу неоднороден. Там, где был Ц углерода больше, чем там, где был Ф. Итак: 1). Образование зародыша Ау на границе раздела Ф-Ц смеси. 2). Рост зерна Ау за счет поглощения Ф и растворения Ц. 3). Гомогенизация цементита (выравнивание концентрации С по всему аустенитному зерну). Превращение П-Ау зависит от температуры нагрева. Время превращения, начало и конец, определяется температурой нагрева. Чем выше эта температура, тем быстрее идет превращение. Это превращение происходит не при постоянной температуре, а в интервале температур. ![]() ![]() 20. Второе основное превращение стали (превращение аустенита а перлит). Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита – твердого раствора углерода в гамма-железе, на почти чистое альфа-железо и цементит. Превращение может начаться лишь при некотором переохлаждении, когда свободная энергия феррито-карбидной смеси (перлита) окажется меньшей, чем свободная энергия аустенита. Чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит превращение. Превращение Ау в П сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Скорость диффузии резко уменьшается с понижением температуры. Снижение температуры, с одной стороны, увеличивает разность свободных энергий Ау и П, что ускоряет превращение, а с другой – вызывает уменьшение скорости диффузии углерода, а это замедляет превращение. Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждении скорость превращения возрастает, достигает при каком-то значении переохлаждения максимума и затем убывает. При 727 С и ниже 200 С скорость превр равна 0, так как при 727 С =0 разность свободных энергий, а при 200 С =0 (точнее, недостаточна) скорость диффузии углерода. Процесс образования перлита – это процесс зарождения центров перлита и роста перлитных зерен. Скорость роста (с.к.) и число образующихся центров (ч.ц.) зависят от степени переохлаждения. Т.е. как только созданы нужные условия, зарождаются центры кристаллизации и из них растут кристаллы. Процесс этот происходит во времени и может быть изображен в виде кинетической кривой превращения, показывающей кол-во образ-ся перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения. Начальный период характеризуется весьма малой скоростью превращения – это инкубационный период. Точка а на кривой показывает момент, когда обнаруживается начало превращения (обычно соотв. Образованию 1% перлита). На кривой степень превращения – время видно, что скорость превр возрастает по мере того, как развивается превращение. Максимум скорости превр соответствует примерно тому времени, когда превратилось примерно 50% аустенита. В дальнейшем скорость превр уменьшается и, наконец, превр заканчивается (точка b). 21. Диаграмма изотермического превращения аустенита. ![]() кривая начала превращения выражает время, когда превращения не наблюдалось, т.е. мы имеем переохлажденный Ау. Вторая кривая показывает время, необходимое для полного превращения Ау-П. 200° - температура бездиффузионного или мартенситного превращения. Это есть диаграмма изотермического распада аустенита (с – образные кривые). Чем круче наклон, тем выше скорость. Строение и свойства продуктов распада аустенита зависит от температуры, при которой происходит превращение. При высоких скоростях (температурах), при малых степенях переохлаждения получается достаточно грубая (легко дифференцируемая под микроскопом) смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом (крупное зерно). При более низких температурах , структура возрастает и твердость продуктов повышается. Такой более тонкого строения перлит называется сорбит(отличаются степенью дисперсности, среднее зерно). При еще более низкой температуре (что соответствует изгибу С-кривой) дисперсность продуктов еще более возрастает. Такая структура называется троостит (отличаются степенью дисперсности, мелкое зерно). Таким образом, перлит, сорбит и троостит – структуры с одинаковой природой (феррит + цементит), отличающиеся степенью дисперсности феррита и цементита. Минимальная скорость, при которой Ау переохлаждается до температур мартенситного превращения носит название критической скорости закалки. 12. Сплавы железа с углеродом. Кривая охлаждения железа, полиморфизм железа. Сплавы – сложные вещества, полученные в результате сплавления или спекания нескольких простых веществ. К железоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны. В твердом состоянии железо может находится в двух модификациях – альфа (о.ц.к.) и гамма ( г.ц.к.). Углерод растворяется в железе. Феррит – твердый раствор углерода в модификации α-железа, имеет крист. решетку ОЦК и существует при температуре, равной или ниже 727°С. Максимальная растворимость углерода равна 0,02%. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, имеет крист. решетку ГЦК. Максимальная растворимость углерода равна 2,14%. Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe3C, содержит 6,67% углерода, имеет сложную крист. решетку, не испытывает аллотропических превращений. н ![]() |