Матеріалознавство. Практикум Підзагальноюр едакціє юдокторатехнічнихн аук, про фе с ораА. Д. Ковал я Запоріжжя, 2011
 Скачать 4.78 Mb.
|
|
4.1 Загальнівідомості Серед металевих матеріалів у машинобудуванні найбільш широко використовуються сплави заліза з вуглецем - сталі та чавуни (на 90% від загальної кількості матеріалів). Визначити структури цих сплавів у стані рівноваги, температури фазових перетворень, вибрати температуру термічної обробки дозволяють метастабільна діаграма стану “залізо- цементит (Fe-Fe 3 C) та стабільна діаграма стану “залізо-вуглець” (Fe-C). 4.1.1 Компоненти, фазитаструктурніскладовізалізовуглецевихсплавів К ом по не н т и - хімічні елементи залізо і вуглець, що утворюють сплави даної системи. Залізо - метал з температурою плавлення С. Атомний радіус 0,127 нм. Залізо поліморфне. Нижче С має ОЦК гратку з параметром 0,286 нм при Св інтервалі 1392...І539°С – 0,293 нм. Заповнення об’єму ґратки атомами на 68%. Низькотемпературна модифікація позначається α αα α -Fe, високотемпературна - δδδδ -Fe. В інтервалі температур С існує γγγγ -Fe з ГЦК граткою, параметри якої 0,3645 нм, заповнення об’єму гратки атомами на 74%. Між атомами заліза існує металевий тип зв’язку. Нижче С α αα α -Fe феромагнітне, γγγγ -Fe - парамагнітне. Залізо характеризується низькими рівнями міцності, твердості та високою пластичністю ( В = 150...200 МПа НВ 60...70; δ = 50…60 %). Вуглець - неметал з температурою плавлення С, атомним радіусом - 0,077 нм. Має дві модифікації: стабільну - у вигляді графіту та метастабільну - у вигляді алмазу. В F e - C сплавах роз р і з ню ют ь фаз и : р і д кий роз чин Р ) , ф ер и т ( Фа уст е н і т ( А ) , цементит Ц ) і граф і т ( Г ) . 40 Ферит - твердий розчин втілення атомів вуглецю в ОЦК гратці заліза. Розрізнюють низькотемпературний α αα α -ферит з граничною розчинністю вуглецю 0,02% при Ста високотемпературний δδδδ -ферит (0,1 С при С. Низька розчинність вуглецю у фериті обумовлена малим радіусом порожнин в ОЦК гратці (0,037 нм. Механічні властивості фериту: В МПа δ =40...50%; НВ80...90. Аустеніт - твердий розчин втілення атомів вуглецю в γγγγ -Fe (ГЦК гратці), радіус міжатомних порожнин дорівнює 0,052 нм. Цим обумовлена підвищена, порівняно із феритом, розчинність вуглецю в аустеніті - 2,14 % при С. Аустеніт має наступні механічні властивості: δ = 50...60 %; НВ 160...200. Фаза вязка, парамагнітна. Тверді розчини втілення, крім вуглецю, можуть утворювати азот і водень (атомні радіуси нм та 0,0056 нм, відповідно), частково бора тверді розчини заміщення – кремній, марганець, хром, нікель, молібден, вольфрам і інші метали. Цементит- хімічна сполука Fe 3 C, що містить С. Гратка - складна ромбічна, характеризується металевим зв’язком між атомами заліза та ковалентним – між залізом і вуглецем. Тому цементит має високу твердість (НВ ≥ 800), крихкість і практично нульову пластичність. Цементит - метастабільна фаза і у високовуглецевих сплавах ( > 2,14 С) при дуже повільному охолодженні замість нього може утворюватися графіт. Графіт - стабільна модифікація вуглецю, має складну гексагональну кристалічну гратку. Відстань між атомами водному шарі складає 0,1415 нм, між шарами - значно більше - 0,34 нм. У першому випадку зв’язок реалізується за рахунок ковалентних силу другому - за 41 рахунок слабких Ван-дер-ваальсовських. Густина графіту 2,26 г/см 3 Твердість 3...5 НВ, значна крихкість, пластичність практично відсутня. Ферит, аустеніт, цементитможутьіснуватиу сплава хвструктурновіль номустаніабовходитидо складуледебуритуч иперл иту. Ледебурит - евтектична фазова суміш цементиту та аустеніту в інтервалі температур С, перлиту і цементиту - при температурах нижче С. Середній вміст вуглецю в ледебуриті 4,3%. Ледебурит утворюється в залізовуглецевих сплавах, що містять більше 2,14 С. Ледебурит містить 64 % цементиту, тому він твердий (НВ ≥ 600) та крихкий. Перлит - евтектоїдна фазова суміш фериту і цементиту, що містить С. Властивості перлиту залежать від дисперсності ферито- цементитної суміші та форми цементиту. Грубопластинчастий перлит має властивості: В 500...600 МПа δ = 8...15 %; НВ 160...250. Більш дисперсний перлит має більшу міцність та меншу пластичність. 4.1.2 Метастабільнадіаграма Fe-Fe 3 C Складність діаграми Fe-Fe 3 C (рис. 4.1) зумовлена тим, що у залізовуглецевих сплавах, окрім первинної кристалізації (рідина → тверда фаза) відбуваються процеси вторинної кристалізації в твердому стані, які пов’язані з поліморфними перетвореннями заліза та зменшенням розчинності вуглецю у фериті та аустеніті. Рисунок 4.1 - Метастабільна діаграма стану Fe-Fe 3 C Точкиталініїдіаграми. Точки на діаграмі визначаються температурою та концентрацією вуглецю. Точка АСС- температура кристалізації (плавлення) заліза, точка D (С, С) - цементиту. Точки N (С, Ста С, С) - температури поліморфного перетворення в залізі. Інші точки діаграми будуть охарактеризовані при розгляді фазових та структурних перетворень у різних сплавах. Лінії діаграми - це геометричне місце точок, що характеризують хімічний склад фаз, які знаходяться у рівновазі, температури початку та кінця фазових перетворень. З теорії кристалізації відомо, що перехід від рідкого стану в твердий відбувається не при температурі рівноваги То для цих фаза при деякому переохолодженні Т. Тому далі при розгляді перетворень, що проходять в реальних умовах буде матися на увазі, що вони відбуваються при деякому переохолодженні (перегріванні) відносно температур рівноваги. Первиннакристалізація. За лінією ліквідусу АВСД починається кристалізація з рідкої фази: δ -фериту Ф (АВ), аустеніту А (ВС) та цементиту первинного Ц І (СД). Лінія АН - температурна межа двофазної 43 зони “рідина+Ф δ ”, нижче цієї лінії - однофазна зона Ф. HJB - лінія перитектичного перетворення: 16 0 1499 51 0 1 0 , , А Ф P , ↔ ↔ ↔ ↔ ++++ δδδδ При переохолодженні нижче С внаслідок взаємодії рідини складу В (0,51 С) з кристалами δ -фериту складу точки НС) утворюється аустеніт складу точки J (0,16 С) (Р → А і ФА – поліморфне перетворення). Лінія JE - температурна межа двофазної зони Р+А, кінець кристалізації аустеніту; нижче цієї лінії - однофазна зона аустеніту. ECF - лінія евтектичної рівноваги з утворенням нижче ледебуриту (((( )))) 67 , 6 14 , 2 3 , 4 1147 3 , 4 Ц А Л Р ++++ ↔ ↔ ↔ ↔ Вториннакристалізація. Лінія NH та NJ - температури початку та кінця поліморфного перетворення δ -фериту в аустеніт у стопах до 0,16 % СУ стопах із 0,16...0,51 С це перетворення відбувається при постійній температурі С. Лінії GS та GPS - температури початку та кінця поліморфного перетворення А → → → → Ф, яке відбувається в інтервалі температур при безперервному охолодженні в стопах із вмістом вуглецю до 0,8 %. PSK - лінія евтектоїдного перетворення А → → → → П при постійній температурі в стопах із 0,02...6,67 % С за реакцією: ) Ц Ф ( П А , , 0,8 , 67 6 02 0 727 8 0 ++++ ↔ ↔ ↔ ↔ При переохолодженні нижче С з аустеніту евтектоїдної концентрації (0,8 С) утворюється перлит – фазова суміш Ф і Ц. Лінії ES та PQ - лінії граничної розчинності вуглецю в аустеніті та фериті, відповідно. У зв’язку зі зменшенням (збільшенням) вмісту вуглецю в цих фазах при охолодженні (нагріванні) лінії ES та PQ відповідають початку утворення (кінцю розчинення) цементиту вторинного в аустеніті та третинного - у фериті. 4.1.3 Перетвореннявсплавахприохолодженнітанагріванні Перетворення при охолодженні розглянемо на прикладі сплаву Х 1 із 0,45 % вуглецю (риса. При охолодженні від температури до сплав знаходиться у рідкому стані. При t 1 починається кристалізація δ - 44 фериту. При охолодженні в інтервалі t 1 ....t 2 склад рідкої фази змінюється за лінією АВ, а δ -фериту - за лінією АН, внаслідок чого при t 2 фази мають склад, необхідний для здійснення перитектичної реакції: вмісту вуглецю в рідкій фазі відповідає точка В, в δ -фериті – точка Н. При t 2 - нонваріантна рівновага, тому що в реакції приймають участь три фази: Р В , Ф Н , АУ сплаві після перетворення є надлишок рідкої фази, з якої в інтервалі t 2 ...t 3 утворюються кристали аустеніту. В інтервалі температур t 3 ...t 4 існує одна фаза - аустеніт. При t 4 починається γγγγ→ → → →α αα α перетворення, тому в інтервалі t 4 ...t 5 сплав двофазний. Склад фериту змінюється при цьому по лінії GP, аустеніту - GS, тобто при склад аустеніту відповідає евтектоїдному і при цій температурі утворюється перлит. В інтервалі t 5 ...t 6 сплав двофазний, його структура перлитно-феритна. Внаслідок зменшення розчинності вуглецю в фериті в інтервалі t 5 ...t 6 виділяється цементит третинний по лінії PQ. Крива охолодження (див. рис. 4.2, б) побудована на підставі розрахунків ступенів свободи з використанням правила фаз. Рисунок 4.2 – Сталева частина діаграми Fe-Fe 3 C (а) та крива охолодження сплаву Х (б) Концентрацію вуглецю в фазах при заданій температурі визначають за допомогою температурної лінії (коноди), паралельної осі концентрацій та проведеної у зоні існування фаз. Визначимо, наприклад, в сплаві Х при С хімічний склад фериту та аустеніту (див. риса. Для цього проведемо паралельно осі концентрацій пряму лінію (коноду) до її перетину з лініями GS та GP, що обмежують зону діаграми, в якій знаходиться сплав. Проекції точок перетину визначають концентрацію вуглецю: точка а (Су фериті, точка в (Св аустеніті. Кількісне співвідношення фаз визначимо за допомогою правила відрізків. Довжину відрізків встановимо за їх проекціями на вісь концентрацій. Так, наприклад, в сталі УС) при Су рівновазі знаходяться ферит і цементит. Їх масова частка визначається як 46 C Q QL х L Q ⋅⋅⋅⋅ ==== Ф та % 100 Ц ⋅⋅⋅⋅ ==== QL Qх Q , де С – загальна маса стопу. Звідки, нехтуючи кількістю вуглецю в фериті (0,02 %), маємо: %) 15 ( 15 , 0 67 , 6 0 , 1 Q %); 85 ( 85 , 0 67 , 6 0 , 1 67 , 6 Q Ц Ф ==== ==== ==== −−−− ==== Вирахована кількість Ц складається із структурновільного Ц ІІ та цементиту перлиту, ферит знаходиться у перлиті. Перетворення при нагріванні розглянемо на прикладі сплаву Х із С (див. риса. При кімнатній температурі структура сплаву складається із перлиту, ледебуриту та цементиту вторинного. З підвищенням температури до С зростає концентрація вуглецю у фериті до С внаслідок розчинення Ц ІІІ . При деякому перегріванні відносно лінії PSK структурновільний перлит і перлит ледебуриту перетворюються в аустеніт. В інтервалі температур С концентрація вуглецю в аустеніті збільшується від 0,8 доза рахунок розчинення Ц ІІ При деякому перегріванні сплаву Х вище С евтектична складова структури (ледебурит) - Л(А 2,14 +Ц 6,67 ) → → → → Р 4,3 . Це перетворення відбувається при постійній температурі, тому що в рівновазі знаходяться три фази: аустеніт, цементит, рідкий розчин. В інтервалі температур t 3 ....t 4 між лініями PSK таВСкристали аустеніту поступово розплавляються. Вище t 4 сплав знаходиться повністю в рідкому стані. 4.1.4 Вуглецевісталі С тал і - сплави заліза з вуглецем, що містять до 2,14 С. Від концентрації вуглецю в сталі залежать її структура, властивості та призначення. Класифікаці я сталей за структурою в стані рівноваг и Діаграма стану Fe-Fe 3 C дозволяє визначити структуру сталі в стані рівноваги, тобто після дуже повільного охолодження. На практиці структури, що близькі до рівноваги, досягаються при відпаленні з повільним охолодженням разом із піччю. В залежності від вмісту вуглецю сталі за структурою в рівноважному (відпаленому) стані поділяються на наступні групи: 47 технічнезалізо - ≤ 0,02 С. Структура - ферит або ферит з цементитом (третинним); доевтектоїдністалі - С (С – вміст вуглецю в процентах. Структура - ферит (світлого кольору) та перлит (темного. З підвищенням вмісту вуглецю частка перлитної складової зростає; евтектоїднасталь - 0,8 % С. Структура – перлит, при невеликих збільшеннях мікроскопа - це темного кольору структура. При збільшенні 500 крат і більше виявляється двофазна пластинчаста будова перлиту (Ф+Ц); заевтектоїдністалі – 0,8% С ≤ 2,14%. Структура - перлит і цементит (вторинний), що утворюється при повільному охолодженні по межах зерен у вигляді цементитної сітки. Зі збільшенням в сталі вмісту вуглецю зростає кількість цементиту, що має велику твердість і крихкість, атому його частинки є перепоною на шляху ковзання дислокацій. Унаслідок цього зростають міцність і твердість сталі, знижуються показники ударної в’язкості і пластичності. Зниження міцності заевтектоїдних сталей зумовлено наявністю крихкої сітки структурновільного цементиту. Твердість сталі монотонно зростає із збільшенням вмісту вуглецю. Класифікаці ясталейзапризн ачен ням . Маркування сталей У залежності від вмісту вуглецю сталі поділяються на конструкційні (Ста інструментальні (С. Умовною межею між ними вважають вміст вуглецю 0,7 %. В дійсності сталі з С можуть бути як інструментальними, так і конструкційними ( наприклад, ресорно-пружинна). Конструкційні сталі підрозділяють на сталі звичайної якості та сталі якісні. Групи сталей, їх маркування та призначення наведено в табл. 4.1-4.4. 48 Таблиця 4.1 - Сталі вуглецеві конструкційні звичайної якості ГОСТ 380-94, ДСТУ ГОСТ) Вмістелементів, % Марка сталі С Mn Si ≤≤≤≤ P ≤≤≤≤ S Призначення 1 2 3 4 5 6 7 Ст ≤ 0,23 - - 0,07 0,06 Конструкції невідповідального призначення: загородження, прокладки, шайби тощо. Добра зварюваність. Ст1кп 0,06 0,12 0,25 0,50 0,05 0,04 0,05 Для деталей, що вимагають високої в’язкості та низької твердості: анкерні болти, арматура тощо. Добра зварюваність. Ст3сп 0,14 0,22 0,4 0,15 0,15 0,3 0,04 0,05 Балки, ферми, корпуси посудин, що працюють під тиском; деталі, що цементують: шестерні, вісі тощо. Добра зварюваність. Ст5Гпс 0,22 0,30 0,8 1,2 0,15 0,04 0,05 Для деталей, що витримують невеликі напруги: вали, вісі, серги ресор тощо. Ст6сп 0,38 0,49 0,5 0,8 0,15 0,30 0,04 0,05 Деталі підвищеної міцності: вісі, вали, тяги, пальці траків, шпінделі тощо. Примітка: Цифри при маркуванні не відображають вміст вуглецю в сталі, однак зі зростанням цифри підвищується концентрація вуглецю в сталі, отже твердість і міцність. Літери в кінці марки означають спосіб розкислення сталі: спокійна (сп), напівспокійна (пс) та кипляча (кп). Вміст сірки ≤ 0,05 % S, фосфору ≤ 0,04 В марці Ст5Гпс підвищений вміст марганцю (0,8…1,2%) позначено буквою Г. 49 Таблиця 4.2 - Сталі вуглецеві конструкційні якісні (ГОСТ 1050-88) Група сталі Маркування Призначення 1 2 3 Низьковуглецеві (0,05...0,08 С) 05, 08 Мають малу міцність та високу пластичність, використовуються без термічної обробки для холодного штампування, холодного вичавлювання: кузови автомобілів, корпуси приладів, прокладки, трубки тощо. Маловуглецеві (0,10...0,30 С) 10, 15, 20, 25 Для деталей, що піддають цементації (ціануванню) та працюють на зношування без великих навантажень: втулки, осі кулачкових валиків, кільця ланцюгів тощо. Середньовуглецеві С) 30, 35, 40, 45, 50 Після нормалізації, поліпшення чи поверхневого гартування для деталей, що зазнають згинання, обертання, зношування, ударного навантаження: колінчасті та розподільні вали, плунжери, шестерні та вали редукторів тощо. 3 вмістом вуглецю 0,55-0,80% 55, 60, 65, 70, 75, 80 Після гартування та середньотемпературного відпускання мають високі пружні властивості та використовуються для виготовлення невеликого розміру у перерізі пружин, ресор тощо. Примітка: Вміст сірки ≤ 0,04 %, фосфору ≤ 0,035 %. Маркуються двома цифрами, що вказують на середній вміст вуглецю в сотих частках процента. 50 Таблиця 4.3 - Автоматні сталі (ДСТУ3833-98) ГрупасталіМаркування Призначення Вуглецева, що містить сірку А, АІ2, А, А, А Деталі складної конфігурації з вимогами високої точності розмірів та низької шорсткості поверхні: шестерні, валики, заслінки, клапани, кільця, пальці, ходові гвинти металорізальних верстатів, деталі кріплення тощо Вуглецева, що містить свинець АС, АС Те саме Вуглецева, що містить сірку та селен А35Е, А45Е Те саме Примітка: 1) Зниження зношування інструментів, отримання ламкої стружки та низької шорсткості поверхні досягається за рахунок підвищення вмісту сірки (до 0,3 %), фосфору (дота введення свинцю (дота селену (до 0,1 %). 2) Літера А означає автоматна, цифри - середній вміст вуглецю в сотих частках процента, Ста Е - додаток свинцю та селену, відповідно. Таблиця 4.4 - Сталі вуглецеві інструментальні (ГОСТ 1435-99) ГрупаМаркування Призначення |