Материаловедение
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
1 Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет В. Е. ГОРДИЕНКО, Е. Г. ГОРДИЕНКО, С. А. СТЕПАНОВ, Ю. В. КНЫШЕВ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 2 3 УДК 621.791.07 Рецензенты: д-р техн. наук, проф. И. А. Иванов (ПГУПС); канд. техн. наук, доц. А. П. Орлов (СПбГАСУ). Гордиенко, В. Е. Материаловедение: учебное пособие: лабораторный практикум / В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев. – СПб.: СПбГАСУ, 2009. – 78 с. ISBN 978-5-9227-0193-8 Приведены указания по выполнению десяти лабораторных работ, опи- саны структурные превращения в сплавах после различных видов термической и химико-термической обработок и их влияние на механические свойства, рас- смотрены способы определения механических свойств металлов и сплавов. Пособие предназначено для студентов механических специальностей. Табл. 12. Ил. 19. Рекомендовано Редакционно-издательским cоветом СПбГАСУ в качестве учебного пособия © В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев, 2009 © Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2009 ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящий практикум рассчитан на студентов механических специальностей, изучающих дисциплину «Материаловедение», что предусматривает самостоятельную работу студентов над теорети- ческим материалом при подготовке к каждой лабораторной работе. При этом ряд лабораторных работ имеет характер учебных исследо- ваний, в которых определяется влияние основных технологических параметров на структуру и механические свойства сплавов. Целью лабораторных работ является практическое ознакомление с диаграммой состояния железо – цементит, структурными превра- щениями в сплавах после различных видов термической и химико- термической обработок, методами определения механических свойств металлов. Перед выполнением работ в лаборатории студенты должны ознакомиться с правилами техники безопасности. К выполнению ла- бораторной работы допускаются только подготовленные студенты, предварительно изучившие теоретический материал по учебнику и настоящему практикуму. По окончании лабораторной работы каждый студент индивиду- ально оформляет отчет о проделанной работе, который должен со- держать исчерпывающие текстовые и графические ответы на по- ставленные вопросы. Работа считается выполненной после защиты ее у преподавателя. ISBN 978-5-9227-0193-8 4 5 Лабораторная работа № 1 ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ Цель лабораторной работы – изучение диаграммы состояния и структурных превращений в углеродистых сталях. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) ознакомиться с основными понятиями теории сплавов; 2) изучить диаграмму состояния железо – цементит; 3) построить кривую охлаждения для конкретного сплава с опи- санием и схематической зарисовкой необходимых превращений; 4) определить количественное соотношение и составы фаз в опреде- ленной точке системы. Оснащение участка лабораторной работы: • материалы – плакат с диаграммой состояния железо – цемен- тит, плакат с кривой охлаждения чистого железа. 1. Основные понятия теории сплавов Чистые металлы имеют низкую прочность и невысокие техноло- гические свойства, поэтому в технике обычно применяют их сплавы. Сплав – это вещество, полученное преимущественно сплавле- нием двух и более элементов (компонентов). В качестве компонен- тов могут быть как металлы, так и неметаллы. Компонент, преоб- ладающий в сплаве, называется основным. Компоненты, введенные в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими. Металлические сплавы в жидком состоянии, как правило, одно- родны и представляют одну фазу. Фазой называют однородную по химическому составу, кристал- лическому строению и свойствам часть системы, при переходе через которую структура и свойства вещества изменяются скачкообразно. Система – совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давление, температура). При переходе сплавов из жидкого состояния в твердое в них мо- жет образовываться несколько фаз. Процесс перехода сплава из жид- кого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток называется первичной кристаллизацией. Свойства сплавов в твердом состоянии зависят от образовавшей- ся структуры. Структура – это взаимное расположение фаз в сплаве, их фор- ма и размеры. Структурные составляющие сплава – это обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение и характерные свойства. 2. Фазы и структуры в металлических сплавах В твердом состоянии компоненты могут образовывать: • твердый раствор замещения или внедрения. Сплав имеет кри- сталлическую решетку, присущую одному компоненту – раствори- телю. Твердый раствор замещения образуется замещением атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенно- го компонента. Твердый раствор внедрения образуется в результате внедрения атомов растворенного компонента в пустоты (междоуз- лие) кристаллической решетки растворителя; • химическое соединение. Компоненты вступают в химическое взаимодействие с образованием новой кристаллической решет- ки, отличной от решеток элементов, образующих это соединение. Примером химического соединения может служить цементит Fe 3 C, присутствующий в сталях и чугунах; • механическую смесь. Механическая смесь – это гетерофазная (двухфазная или многофазная) структура, образующаяся из несколь- ких компонентов, когда при кристаллизации компоненты не способ- ны ко взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическое взаимодействие. При образовании механической сме- си кристаллические решетки фаз не изменяются. Сплавы железа с углеродом являются наиболее распространенны- ми металлическими материалами, применяемыми в строительстве. Железо – основной компонент системы железо – углерод – явля- ется металлом серебристо-серого цвета с температурой плавления 1539 С. Плотность железа составляет 7870 кг/м 3 , временное сопро- тивление при растяжении 250 МПа, твердость 60…90 НВ, относи- тельное удлинение 30…50 %. 6 7 Железо относится к числу элементов, которые при нагрева- нии (охлаждении) претерпевают аллотропические превращения. Существование одного и того же металла в нескольких кристал- лических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температу- рах называется полиморфным превращением (рис. 1.1). Рис. 1.1. Кривая охлаждения железа Критическая точка 1539 С – температура затвердевания железа (на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка). При затвердевании образуется железо с объемно-центрированной ку- бической решеткой (ОЦК), называемое α-железом. Такое кристал- лическое строение железа сохраняется до температуры 1392 С. Высокотемпературная модификация железа в интервале температур 1539…1392 С иногда обозначается как δ-железо. Критическая точка 1392 С – температура аллотропического пре- вращения. ОЦК α-железа переходит в гранецентрированную куби- ческую решетку (ГЦК) γ-железа. Ее обозначают 4 c A (при нагреве) и 4 r A (при охлаждении). На кривой охлаждения также будет наблю- даться горизонтальная площадка. Критическая точка 911 С – температура аллотропического пре- вращения γ-железа в α-железо. Ее обозначают 3 c A (при нагреве) и 3 r A (при охлаждении). Критическая точка 768 С – температура магнитного превра- щения, не связанного с перестройкой кристаллической решетки. Данную точку называют точкой Кюри и обозначают А 2 . Выше тем- пературы 768 С α-железо немагнитно, а ниже 768 С – магнитно. Углерод – второй компонент в системе железо – углерод. Он не яв- ляется металлом. Плотность углерода 2500 кг/м 3 , температура плав- ления 3500 С. Углерод полиморфен. В частности, в обычных усло- виях он находится в виде графита. Но может существовать в виде метастабильной модификации – алмаза. Графит имеет гексагональ- ную слоистую кристаллическую решетку. Это мягкий материал, ха- рактеризующийся низкой прочностью. В зависимости от содержания углерода и температуры в системе железо – углерод наблюдаются: • однофазные структуры образования (жидкий сплав углерода и железа); • твердые растворы углерода в железе (феррит и аустенит); • химическое соединение железа и углерода (цементит); • структурно-свободный углерод (графит); • двухфазные структурные составляющие (перлит и ледебурит). Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при нормальной температуре со- ставляет 0,006 %. Максимальная растворимость углерода в α-железе достигается при температуре 727 С и составляет 0,025 %. Феррит является самой мягкой структурной составляющей железоуглероди- стых сплавов. Твердость феррита 80…100 НВ. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Максимальная растворимость углерода в γ-железе при температуре 8 9 1147 С составляет 2,14 %. При понижении температуры раствори- мость углерода в γ-железе уменьшается и при температуре 727 °С составляет 0,8 %. Максимальная растворимость углерода в γ-железе принята за границу между сталью и чугуном. Сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % называются сталями, а с бóльшим – чугунами. Аустенит обладает высокой пластичностью (δ = 40…50 %), низ- кими пределами текучести и прочности. Твердость его составляет 180…200 НВ. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe 3 C), содержащее 6,67 % С. Цементит имеет слож- ную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Он характе- ризуется высокой твердостью (более 800 НВ). Температура плавле- ния цементита точно не установлена и принимается равной 1250 С. Перлит (П) – механическая смесь (двухфазная эвтектоидная) феррита и цементита, содержащая 0,8 % углерода. Он образуется при температуре 727 С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения. Перлит может быть пластинчатым и зернистым, что определяет его механические свойства. Твердость перлита 160…200 НВ. Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) аустенита и це- ментита. Образуется в результате кристаллизации жидкого расплава, содержащего 4,3 % С при температуре 1147 С. Твердость ледебури- та 600…700 НВ. Он очень хрупок. Так как при температуре 727 С аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже температуры 727 С состоит из перлита и цементита. 3. Диаграмма состояния железо – цементит Диаграмма состояния – это графическое изображение фазового состояния всех сплавов данной системы в зависимости от темпера- туры и концентрации компонентов. Обычно диаграммы строятся для равновесных условий и могут характеризовать процессы, происхо- дящие в сплавах при малых скоростях нагрева и охлаждения. Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния железо – углерод (цементит). Основы изучения железоуглеродистых сплавов были заложены зна- менитым русским ученым Д. К. Черновым, который в 1868–1869 гг. опубликовал первую работу на эту тему. В результате этих и других работ мы располагаем диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов, позволяющей судить о состоянии сплавов в зависимости от их состава и температуры, изучать возможные изменения в строе- нии и свойствах железоуглеродистых сплавов в случаях неизбежно- го или необходимого отклонения от условий равновесия. Без этой диаграммы невозможно разобраться в процессах, про- исходящих при различных видах теплового воздействия на желе- зоуглеродистые сплавы, правильно назначить режимы проведения различных технологических процессов, связанных с получением за- готовок или готовых изделий и конструкций. В частности, диаграм- ма состояния сплавов железо – углерод необходима: • для установления правильных условий литья деталей (темпера- туры плавления и заливки сплава, литейных свойств сплава); • для выбора оптимальных режимов горячей деформации метал- лов (ковки, штамповки, прокатки); • для назначения различных режимов термической и химико- термической обработки деталей из стали и чугуна; • при разработке технологии сварки. Наиболее простым методом построения диаграмм является тер- мический метод, при котором фазовые превращения в сплаве, как правило, сопровождаются тепловым эффектом, т. е. выделением или поглощением тепла. На температурных кривых, характеризующих процесс нагрева или охлаждения сплава, тепловой эффект проявля- ется в виде остановки (площадки) или точек перегиба, которые ука- зывают на изменение скорости охлаждения. Остановка на кривой свойственна обычно превращению при постоянной температуре, пе- региб – превращению в температурном интервале. Таким образом, по остановкам или перегибам на кривых охлаж- дения можно установить температуры начала и конца фазовых пре- вращений, т. е. определить так называемые критические точки. Температурные остановки на кривой охлаждения железа 1539, 1392, 911 и 768 С являются критическими точками. Существуют два вида диаграмм состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильные, изображенные сплошными линиями, ха- рактеризующие превращения в системе железо – карбид железа (це- ментит Fe 3 C), и стабильные, изображенные штриховыми линиями, характеризующие превращения в системе железо – графит. 10 11 Наибольшее практическое значение имеет метастабильная диа- грамма состояния. Метастабильность системы определяется неу- стойчивостью цементита, который при определенных давлениях мо- жет распадаться с выделением свободного графита по реакции Fe 3 C → 3Fe + C гр (1.1) При рассмотрении процессов превращения в сплавах широко применяется так называемое правило фаз. Оно дает возможность проверить правильность построения диаграмм состояния и теорети- чески обосновать направление превращений. Правило фаз устанав- ливает количественную зависимость между степенью свободы и ко- личеством фаз и компонентов, находящихся в равновесии. Под числом степеней свободы (вариантностью) системы пони- мается число внешних и внутренних факторов (температуры, давле- ния, химического состава и концентрации), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе. Правило фаз представляет собой математическое выражение условия равновесия , 2 f R C (1.2) где С – число степеней свободы; R – число компонентов; f – коли- чество фаз. Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура и давление. Если принять, что все проис- ходит при постоянном давлении, то число переменных уменьшается на единицу и уравнение примет вид 1 f R C (1.3) На рис. 1.2 приведена упрощенная диаграмма состояния железо – цементит без детального изображения высокотемпературного пере- хода Fе α Fe γ Диаграмма состояния строится в координатах температура – кон- центрация и является обобщенным результатом большого количе- ства экспериментальных кривых охлаждения. 12 13 На диаграмме указаны: АСD – линия ликвидуса, т. е. линия начала первичной кристал- лизации. Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии; AECF – линия солидуса (линия конца первичной кристалли- зации). Ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса имеются кристаллы твердой фазы и жидкий раствор. В процессе кристаллизации сплавов по ли- нии ликвидуса изменяется концентрация жидкой фазы, а по линии солидуса – концентрация твердой фазы; ЕСF – линия эвтектического превращения. По этой линии проис- ходит реакция Ж 4,3 % С А 2,14 % С + Ц 6,67 % С 1147 о С (1.4) GS – линия начала перехода аустенита в феррит; SЕ – линия предельной растворимости углерода в γ-железе. Цементит, выделяющийся из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в нем при понижении температуры, называ- ется вторичным цементитом (Ц II ), в отличие от цементита первично- го (Ц I ), получаемого при кристаллизации жидкости; РSK – линия эвтектоидного или перлитного превращения. По этой линии аустенит с концентрацией углерода 0,8 % переходит в перлит по реакции А 0,8 % С Ф 0,025 % С + Ц 6,67 % С 727 о С (1.5) GР – линия окончания аллотропических превращений в сплавах. По этой линии превращение аустенита в феррит заканчивается; РQ – линия предельной растворимости углерода в α-железе; GS – совокупность верхних критических точек для доэвтектоид- ной стали А 3 , обозначаемых при нагреве 3 c A , а при охлаждении 3 r A ; SЕ – совокупность верхних критических точек для заэвтектоид- ной стали, обозначаемых соответственно А ст или А rт ; РSK – совокупность нижних критических точек для всех сплавов, обозначаемых соответственно 1 c A или 1 r A ; S – эвтектоидная точка; С – эвтектическая точка. 4. Классификация железоуглеродистых сплавов Все сплавы подразделяются на три группы: техническое железо, стали и чугуны. Классификация основана на структуре сплавов. Техническим же- лезом называются сплавы, содержащие углерод менее его предель- ной растворимости в α-железе, т. е. менее 0,025 % (точка Р на диа- грамме). В их структуре имеется или только феррит (если содержание углерода менее 0,006 %), или феррит с небольшим количеством тре- тичного цементита (при содержании углерода более 0,006 %, но ме- нее 0,025 %). В сталях содержание углерода больше его предельной раствори- мости в α-железе, но меньше предельной растворимости в γ-железе. По структуре стали делятся на три группы: • доэвтектоидные, с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 %; • эвтектоидные, с содержанием углерода 0,8 %; • заэвтектоидные, с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 %. В чугунах содержание углерода больше его растворимости в γ-железе (точка Е). Чугуны делятся также на три группы: • доэвтектические, с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %; • эвтектические, с содержанием углерода 4,3 %; • заэвтектические, c содержанием углерода от 4,3 до 6,67 %. Структурный признак чугунов – наличие эвтектической состав- ляющей – ледебурита. |