Перитектическое превращение наблюдается у сплавов, содержащих от 0,1 до 0,5% С, эвтектическое - от 2,14 до 6,67 С и эвтектоидное - у всех сплавов, содержащих > 0,025 С.
Сплавы, содержащие < 0,8 называются доэвтектоидными, > 0,8%С - заэвтектоидными и 0,8%С эвтектоидными сталями. В зависимости от концентрации углерода сплавы, содержащие < 0,3%С называются низкоуглеродистыми, с 0,3 - 0,6%С -среднеуглеродистым, с > 0,7%С - высокоуглеродистыми сталями.
Кристаллизация стали. Все превращения начинаются в жидкости при некотором переохлаждении, т.е. при температурах ниже равновесной, лежащей на соответствующей линии диаграммы.
Перекристаллизация стали (превращения в твердом состоянии). Основа этих превращений - полиморфное превращение ГЦК - ОЦК и изменение растворимости углерода в аустените и феррите при изменении температуры.
Влияние компонентов и примесей на свойства стали
Сталь - многокомпонентный сплав. Избавиться от примесей затруднительно и дорого. Любая сталь состоит из 2-х фаз - Ф и Ц. Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Частицы Ц служат препятствием движению дислокации, а следовательно повышают прочность, твердость и уменьшают пластичность. Повышение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости примерно на 200С). При содержании в стали более 1 - 1,1% С возникает хрупкость в отожженном состоянии.
Кремний и марганец попадают в сталь при раскислении, содержание Si = 0,35 - 0,4 %, Mn = 0,5 - 0,8%. Кремний снижает способность стали к вытяжке, холодной высадке. Поэтому стали, предназначенные для холодной штамповке надо брать с пониженным кремнием.
Сера образует FeS, который в свою очередь образует с железом легкоплавкую эвтектику (Т = 9880С). Располагаясь по границам зерен, она плавится при температурах ковки и штамповки вследствие чего возникает красноломкость. Марганец нейтрализует серу (MnS). Сернистые включения понижают механические свойства. Содержание серы не должно превышать 0,05 - 0,06%.
Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кр. решетку (раствор внедрения), резко снижает пластические и вязкие свойства. Каждый 0,01% фосфора повышают порог хладноломкости на 20 - 250С. Склонен к ликвации.
Азот, водород, кислород. Образуют хрупкие неметаллические включения (оксиды, нитриды) по границам зерен, в результате возрастает хрупкость. Водород охрупчивает сталь.
Тема № 7
ЧУГУНЫ
Белые чугуны
В структуре высокоуглеродистых сплавов, кристаллизующихся по метастабильной системе, нет свободного углерода. Излом их светлый, поэтому такие чугуны называются белыми.
Белые чугуны используются главным образом как передельные чугуны.
Доэвтектический белый чугун, содержащий 2,2 - 2,9%С используется для получения ковкого чугуна, эвтектический белый чугун (легкоплавкий; жидкотекучий) - для получения чугунной дроби, заэвтектический - очень твердый и износостойкий - для отливки шаров, шаровых мельниц.
Серые чугуны
Структурным признаком серого чугуна является обязательное присутствие графита в структуре свободного углерода - графита; который придает излому серый цвет.
Образование из жидкости аустенита и графита и дальнейший распад аустенита на феррит и графит соответствует минимальному значению свободной энергии, т.е. наиболее стабильному равновесию. При медленном охлаждении, когда кристаллизация проходит в интервале температур 1152-11470 термодинамически более выгодно образование графита . В этом случае кристаллизация происходит по стабильной диаграмме.
При медленном охлаждении выделяющийся графит имеет форму слабо разветвленных розеток с пластиновидными лепестками (ведущая фаза). На нем кристаллизуется аустенит, возникает своеобразный бикристалл - аустенитно-графитная колония. Рост графитовых колоний продолжается до полного исчезновения жидкости.
В зависимости от разреза эвтектической колонии плоскостью шлифа графит иногда выглядит в виде хаотических изолированных пластинок (пластинчатый графит).
В результате первичной кристаллизации серого чугуна вне зависимости от содержания в нем углерода образуется структура А + Г. Окончательная структура чугуна формируется при перекристаллизации и не зависит от % С, а определяется условиями охлаждения.
Кристаллизация при различных условиях охлаждения в интервале температур от 1152 до 200 С.
а) Очень медленное охлаждение до 200 С (охлаждение средних отливок в литейной форме или очень крупных отливок на воздухе). Все превращения идут в соответствии со стабильной диаграммой. Выделяющийся углерод диффундирует к уже имеющимся графитным включениям или образует новые. При эвтектоидном превращении также из аустенита выделяется углерод и конечная структура чугуна Ф + Г - серый чугун на ферритной основе. Свойства низкие.
б) До 750-7400 С чугун охлаждается медленно (среднее и мелкое литье в литейной форме); а затем быстро (выбивка из формы и охлаждение на воздухе). В этом случае эвтектоидное превращение происходит по метастабильной диаграмме (As→ П) и образуется структура П+Г -серый чугун на перлитной основе. Прочностные свойства удовлетворительные.
в) При тех условиях (случай б) по различным причинам эвтектоидное превращение идет по стабильной и метастабильной диаграммам. В этом случае образуется структура Ф + П + Г - серый чугун на феррито-перлитной основе (графитные включения окружены ферритной оболочкой). Таким образом формируются различные типы чугунов.
Серый чугун обладает низким комплексом механических свойств: низкие прочностные свойства и практически нулевые пластические (главным образом из-за формы графитных включений ). Однако этот чугун дешев, обладает высокой жидкотекучестью, малой усадкой, хорошо гасит колебания (высокие демпфирующие свойства).
Высокопрочный чугун (ВЧ).
Получают его путем модифицирования серого чугуна редкоземельными металлами (Mg, Се) или их лигатурами. Под действием модификатора происходит сфероидизация графитных включений, что приводит к повышению прочности до 1000 МПа и появлению пластичности до 5-10%.
Модификатор обеспечивает глубокую десульфурацию и раскисление, а также выравнивание скорости роста графитных зародышей в различенных направлениях.
Шаровидная форма графита меньше ослабляет металлическую основу по сравнению с графитом в виде пластин, влияющих как острые надрезы.
Высокопрочный чугун также может быть на ферритно-перлитной и перлитной основе.
Ковкий чугун является старым машиностроительным материалом. Его получают из доэвтектического белого чугуна (2,2 - 3,0%С - рис.40) путем термической обработки. Отливки из белого чугуна подвергают графитизирующему отжигу.
При высоких температурах цементит метастабилен. После первой стадии графитизации получаем структуру А+Г. В зависимости от условий охлаждения можно получить структуру П + Г - перлитный ковкий чугун (повышенная прочность) до 450 МПа и пониженная пластичность , или Ф + Г - ферритный ковкий чугун (прочность 300 - 400 МПа, удлинение 6-12%).
Образующийся графит более компактный, чем в сером чугуне, его называют хлопьевидным графитом или углеродом отжига.
Серый чугун широко используется в станкостроении (станины, коробки, колонны и т.д.), т.к. хорошо работает на, сжатие. Высокопрочный чугун - в автостроении, дизелестроении для ряда ответственных изделий (колен, валы, распределительные валики, опоры подшипников и т.д.).
Маркировка: СЧ-21 (предел прочности на растяжение в кг/мм). ВЧ - 60 - 5, 120 - 2 ( δ % ) КЧ 30 - 6; КЧ37-12 ( δ%).
Влияние примесей. Чугуны как и стали многокомпонентные системы. Примеси могут оказывать существенное влияние на структурообразование чугунов, особенно такие как Si, Mn, S, Р.
Кремний. Очень сильный графитизатор, т.е. в сильной степени способствует выделению углерода как из жидкой фазы так и из аусте-нита и разложению цементита. В литейных чугунах кремния 0,8 - 4,0%. Влияние кремния и углерода на структуру чугуна хорошо иллюстрирует структурная диаграмма (рис.42 ).
Марганец. Карбидообразующий элемент (Mп), препятствует выделению свободного углерода, т.е. способствует получению белого чугуна. Нейтрализует влияние серы, выводя ее из твердого раствора (MnS). Обычное содержание в С Ч - 0.5 - 0.8%.
Сера - придает чугуну, как и стали, красноломкость. - Содержание серы в сером чугуне не должно превышать 0,08%, в высокопрочном - <0.03%.
Фосфор - в чугуне иногда до 1%. Увеличивает жидкотекучесть, способствует хорошему заполнению формы.
Тема№ 8
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
Термообработка может использоваться как промежуточная операция для улучшения технологических свойств (обрабатываемость режущим инструментом, повышение пластичности перед обработкой давлением и др.) и как окончательная операция для придания обрабатываемому материалу комплекса физико-механических и других свойств, обеспечивающих необходимые эксплуатационные характеристики изделия.
В углеродистой стали в зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения возможны следующие основные 4 вида превращений.
1. При нагреве выше температуры Ас1 феррито-цементная смесь - перлит превращается в аустенит П→ А
2. При медленном охлаждении ниже температуры Ас1 однородный твердый раствор углерода в - аустенит диффузонным путем распадается на смесь двух фаз - Ф+Ц) – П, А→ П
3. При быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит - упорядоченный перенасыщенный твердый раствор углерода в Fe-α. Из-за большой скорости охлаждения при превращении не происходит диффузия углерода.
А – (Fe-γ) → M –( Fe-α)
Мартенсит структура неустойчивая, неравновесная.
4. При нагреве ниже температуры Ас1 пересыщенный твердый раствор углерода в Fe - α - мартенсит распадается с образованием феррито-цементной смеси - перлита М → (Ф+Ц) – П
Классификация видов термической обработки
Первую классификацию различных видов термической обработки предложил академик А. А. Бочвар была разработана классификация видов и разновидностей термической обработки сталей и цветных металлов, а также соответствующая технология (рис. 45)
Термическая обработка включает в себя 6 основных видов, которые в свою очередь имеют различные разновидности.
1. Отжиг первого рода.
При литье, обработке давлением, сварке и других технологических процессах в структуре металлов и сплавов могут возникать отклонения от равновесного состояния. Отжиг 1 рода частично или полностью устраняет эти отклонения. Основные параметры - температура нагрева и время выдержки. Скорость нагрева и охлаждения имеют подчиненное значение. Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии, т. е. для железоуглеродистых сплавов нагрев производиться до температур лежащих ниже Ас1).
Для Fe-C сплавов в зависимости от назначения дорекристализационный и рекристализационный отжиг и отжиг для снижения внутренних (остаточных) напряжений. Этот вид обработки применим к любым металлам и сплавам.
2. Отжиг второго рода.
Используется при необходимости изменить структуру и свойства металла или сплава. После термической обработки получают структуру близкую к равновесной. Основные параметры: температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Нагрев производится выше температуры Ac3, время выдержки должно обеспечить необходимые структурные изменения, а скорость охлаждения достаточно мала, и обеспечить обратные фазовые превращения, в основе которых лежат диффузионные процессы. В зависимости от назначения для Fe -сплавов различают: неполный отжиг-нагрев выше температуры АС1, но ниже Ac3, охлаждение с печью; полный отжиг - нагрев до Асз +30 - 40°, охлаждение с печью; нормализацию -нагрев до температуры Асз + 30 - 40°, охлаждение на воздухе.
3. Закалка.
Как и отжиг второго рода используется для изменения структуры и свойств металлов и сплавов. После термообработки получают неравновесную структуру со свойствами существенно отличными от свойств в равновесном состоянии. Основные параметры: температура нагрева и скорость охлаждения. Нагрев производится выше температуры начала фазовых превращений. Время выдержки должно быть достаточно для необходимых структурных превращений, а скорость охлаждения достаточно велика, чтобы обратные превращения, связанные с диффузионными процессами, не успели произойти.
Существуют два резко различных вида закалок: закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением.
Закалка без полиморфного превращения применима к любым сплавам, в которых при нагреве одна фаза полностью или частично растворяется в другой. После закалки образуется пересыщенный твердый раствор компонента А в компонент В. Такой вид закалки характерен при обработке цветных сплавов.
Закалка с полиморфным превращением возможна для любых металлов и сплавов, у которых при охлаждении изменяется кристаллическая решетка. При этом образуется новая фаза, называемая мартенситом.
Такая закалка характерна для железоуглеродистых сплавов, у которых различают две разновидности: неполная закалка с нагревом до температур Ac1 +20 -40,полная закалка с нагревом до температур Асз+20 - 40 .
4. Старение и отпуск.
После закалки сплав находится в метастабильном состоянии (пересыщенный твердый раствор) и обладает повышенной_свободной энергией. Свойства его неудовлетворительные. Для ускорения процесса распада твердого раствора его нагревают, подвергают отпуску или старению.
Обычно термин отпуск применяют к сплавам подвергнутым закалке с полиморфным превращением прежде всего к железоуглеродистым сплавам - сталям и чугунам. Для цветных сплавов чаще используется термин 'Старение'.
Превращение Ф+Ц →А
В результате нагрева выше точки Ас1 на границе Ц-Ф возникает слой аустенита и дальнейший его рост при изотермической выдержки идет за счет перемещения межфазовой границы в сторону феррита и цементита. Скорость роста аустенитного зерна в сторону феррита на много больше, чем в сторону цементита, поэтому ферритные пластины растворяются быстрее. После окончания растворения цементита аустенит неоднороден по углероду и для гомогенизации (выравнивания состава) применяется выдержка. Если в исходной структуре находился свободный феррит (доэвтектоидная сталь) или свободный цементит (заэвтектоидная сталь), то для их исчезновения необходим нагрев до более высоких температур и более длительная выдержка.
При непрерывном нагреве температуры окончания образования аустенита и его гомогенизации повышаются с ростом скорости нагревания.
С увеличением дисперсности исходной структуры время окончания всех этапов аустенизации уменьшается, главным образом за счет сокращения путей диффузии углерода.
После окончания аустенизации зерно способно к росту (собирательной рекристаллизации). Размер аустенитного зерна зависит от температуры, выдержки при нагреве и состава стали. Почти все легирующие элементы, кроме марганца тормозят рост аустенитного зерна за счет образования трудно растворимых карбидов и окислов.
Склонность к росту определяется не только химическим составом по основным компонентам, но и технологией металлургического производства.
Различают наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали. В наследственно крупнозернистых сталях аустенитное зерно интенсивно растет при относительно небольших превышения температуры над точкой Асз до +950-1100°С. Нагрев выше этой температуры также ведет к перегреву, т. е. интенсивному укрупнению зерна и связанному с этим падению вязкости стали после охлаждения. С наследственно мелкозернистой сталью работать легче, т. к, она не боится перегрева в широком интервале температур.
Действительное зерно - это то зерно, которое получают после той или иной операции термообработки, он определяет конечные свойства стали.
Превращение аустенита при охлаждении (перлитное превращение)
Основное превращение при медленном охлаждении стали с температурой выше Ac1 это эвтектоидный распад аустенита на феррито-цементитную смесь-перлит. Процесс диффузионный, связанный с распадом твердого раствора А на две резко различные по химическому составу фазы - Ц - 6, 67%С и Ф-0, 02%С. Процесс идет при переохлаждении сплава.
Контролирует процесс диффузия углерода. Однако чем ниже температура превращения(>ΔТ), тем меньше скорость диффузии углерода. При очень больших (ΔТ) диффузия углерода практически равна нулю и диффузионный распад аустенита невозможен..
Распад начинается обычно на стыке аустенитных зерен образованием зародыша цементита. При утолщении цементитной пластины вблизи нее аустенит объединяется и создаются условия для образования роста ферритной пластины. При утолщении ферритной пластины углерод оттесняется в аустенит, в результате создаются условия для появления новых цементитных пластин.
Межпластиночное расстояние Δ (суммарная толщина пластин Ф и Ц) постоянны для данной степени переохлаждения аустенита. Это важная структурная характеристика, чем оно меньше, тем дисперсией структура, выше прочностные свойства стали. В зависимости от температур распада аустенита образуются следующие структуры:
при 650 °- 220о С межпластиночное расстояние Δ =0. 5- 1мкм, НВ170-220 – перлит;
при 650 - 570° С межпластиночное расстояние Δ - 0,4 - 0,2 мкм НВ - 230 - 330-сорбит;
при 570° - 500° межпластиночное расстояние Δ =
0, 1мкм, НВ 330 - 460 троостит. |
Скачать 453.5 Kb.