мини-конспект к лабам № 5+6. Работа 5 изучение зависимости между структурой и свойствами углероддистых сталей. Изучение зависимости между структурой и свойствами чугунов

• Название: Работа 5 изучение зависимости между структурой и свойствами углероддистых сталей. Изучение зависимости между структурой и свойствами чугунов
• Дата: 09.04.2023
• Размер: 6.3 Mb.
• Имя файла: мини-конспект к лабам № 5+6.docx
• Тип: Документы; #1048886

РАБОТА № 5,6. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ УГЛЕРОДДИСТЫХ СТАЛЕЙ. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ЧУГУНОВ.
Сплавы на основе железа и углерода, т.е. железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны, являются наиважнейшими сплавами в современном машиностроении. В связи с этим изучение процессов структурообразования железоуглеродистых сплавов является неотъемлемой задачей в понимании природы этих сплавов, их обработки и применения.
Сплав – сложное вещество, состоящее из двух или нескольких простых веществ (называемых компонентами сплава), полученное путём их сплавления, спекания или одновременного осаждения из газовой среды.

Фазовые и структурные состояния железоуглеродистых сплавов при разных концентрациях компонентов сплавов, а также при разных температурах описываются диаграммой метастабильного равновесия Fe–Fe₃C.

Фаза – однородная часть сплава, имеющая собственный химический состав, строение, свойства и отделённая от других частей поверхностью раздела.

Структура – строение сплавов (и металлов), которое характеризуется наличием фаз, их количеством, взаиморасположением и формой.

Диаграмма состояния – диаграмма, показывающая равновесное фазовое состояние сплавов при разных температурах и разных концентрациях компонентов сплава.

Диаграмма метастабильного равновесия Fe–Fe₃C относится к сложным диаграммам состояния. Общий вид диаграммы и её фазовый анализ указан на рис. 1.



Рис. 1. Диаграмма метастабильного равновесия Fe–Fe₃C; указан фазовый состав.

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются два химических элемента – железо и углерод.

Железо – это переходный металл VIII группы подгруппы B периодической системы; его атомный номер 26; атомный радиус 1,26 Å; плотность 7,68 г/см³; температура плавления 1539 ^оС; является полиморфным металлом, имеет две кристаллические решётки – ОЦК и ГЦК. Железо испытывает следующие полиморфные превращения:

- при 911 ^оС: (решётка ОЦК решётка ГЦК);

- при 1392 ^оС: (решётка ГЦК решётка ОЦК).

Железо – это ферромагнетик, имеющий точку Кюри равную 768 ^оС, и испытывающий магнитное превращение при переходе через точку Кюри: .

Железо имеет следующие механические характеристики: предел прочности ; пластичность ; твёрдость .

Углерод – это неметалл IV группы подгруппы A периодической системы; атомный номер 6; атомный радиус 0,77 Å; плотность 2,5 г/см^3; температура плавления 3500 ^оС; имеет несколько полиморфных модификаций (алмаз, графит, фуллерен и др.); в отсутствии стабильного равновесия углерод в железоуглеродистых сплавах существует в связанном с железом метастабильном химическом соединении – карбиде Fe₃C, который имеет узкую зону гомогенности (содержание углерода 6,67 – 6,69 %) в интервале температур 580–1260 ^оС.

Компоненты – железо и углерод, при взаимодействии друг с другом образуют следующие фазы: жидкий раствор, α-феррит, аустенит, δ-феррит и цементит.

Жидкий раствор – это ненасыщенный жидкий раствор Fe и C. Обозначается как Ж (L).

α-феррит, аустенит и δ-феррит – это твёрдые растворы внедрения с разной растворимостью углерода в кристаллической решётке Fe.

Твёрдый раствор внедрения – однородная фаза, состоящая из двух или большего числа компонентов (атомов или ионов), причём растворённые компоненты [B] размещаются в междоузлиях кристаллической решётки компонента-растворителя [A]. Т.к. количество пор в решётке компонента растворителя [A]ограничено, то растворимость компонента [B] ограничена в интервале min-max растворимости.

Феррит – это твёрдый раствор внедрения углерода в ОЦК решётку (или ) с max растворимостью углерода 0,02% – α-феррит (или с max растворимостью углерода 0,1% – δ-феррит). Обозначается как (или ). В феррите растворено очень мало углерода, поэтому по механическим свойствам феррит близок к железу: предел прочности ; пластичность ; твёрдость . Т.е. феррит – это очень мягкая и пластичная фаза.

Аустенит – это твёрдый раствор внедрения углерода в ГЦК решётку с min растворимостью углерода 0,8% и max растворимостью углерода 2,14%. Обозначается как А. В аустените растворено углерода больше, чем в феррите, поэтому по механическим свойствам аустенит твёрже и прочнее, чем феррит: твёрдость . Однако аустенит – это пластичная фаза (пластичность ).

Цементит является промежуточной фазой – химическим соединением углерода с железом (карбид железа Fe₃C). Обозначается как Ц. Цементит имеет узкую область гомогенности 6,67 – 6,69 % С (на диаграмме указывается либо узкой областью, либо прямой линией). Цементит очень твёрдая (и чрезвычайно хрупкая) фаза: твёрдость (800) HB.

При проведении фазового анализа диаграммы метастабильного равновесия Fe–Fe₃C на ней указывают области существования отдельных фаз (обозначены красным на рис.1) и двухфазные области. При этом пользуются правилом чередования фаз: на любой диаграмме состояния всегда между двухфазными областями находятся однофазные (обозначены чёрным на рис.1.).

На микроструктурах (при комнатной температуре) феррит как отдельная фаза (т.е. не входящая в структурную составляющую) имеет вид белых равноосных зёрен. Цементит как отдельная фаза (т.е. не входящая в структурную составляющую) имеет вид белых длинных протяжённых зерен (если это выделение вторичной фазы – то в виде сетки [в объёме в виде оболочки] по границам другой фазы).

равноосные зёрна феррита	цементитная сетка по краям перлита	длинные протяжённые зёрна цементита

Для проведения структурного анализа диаграммы метастабильного равновесия Fe–Fe₃C необходимо указать значение линий на ней:

• 
  Линия ликвидуса (начала кристаллизации) – это линия ABCD;
  
• 
  Линия солидуса (конца кристаллизации) – это линия AHJECF;
  
• 
  Линии переменной растворимости [сольвуса] PQ, ES и DC
  

Линия переменной растворимости показывает, что при понижении температуры растворимость атомов компонента В в твёрдом (или жидком) растворе снижается, это приводит к выделению вторичных кристаллов из твёрдого (или жидкого) раствора, обогащённых атомами В.

Линия переменной растворимости DC показывает, что при понижении температуры растворимость углерода в жидком растворе Ж снижается от т. D (6,67% С) до т. С (4,3% С), что приводит к выделению богатой углеродом фазы – цементита, называемого цементит первичный. Обозначается как Ц_I.

Линия переменной растворимости ES показывает, что при понижении температуры растворимость углерода в аустените снижается от т. Е (2,14% С) до т. S (0,8% С), что приводит к выделению богатой углеродом фазы – цементита, называемого цементит вторичный. Обозначается как Ц_II.

Линия переменной растворимости PQ показывает, что при понижении температуры растворимость углерода в α-ферритt снижается от т. P (0,02% С) до т. Q (0,006% С), что приводит к выделению богатой углеродом фазы – цементита, называемого цементит третичный. Обозначается как Ц_III.

Первичный, вторичный и третичный цементиты имеют одинаковую природу, однако различаются только внешней формой зёрен (Ц_I в виде длинных протяжённых зёрен, а Ц_II и Ц_III в виде сетки).

• 
  Линия HJB – это линия перитектического превращения. Любой железоуглеродистый сплав, пересекающий эту линию испытывает при своём охлаждении перитектическое превращение:
  

Перитектиктическое превращение – процесс взаимодействия кристаллов твёрдого раствора с жидкостью, происходящий изотермически при постоянной концентрации фаз и приводящий к образованию кристаллов другого твёрдого раствора.

Образующийся при этом аустенит является перитектикой.

Перитектика – твёрдый раствор, образовавшийся в результате взаимодействия жидкой и твёрдой фазы.

• 
  Линия ECF – это линия эвтектического превращения. Любой железоуглеродистый сплав, пересекающий эту линию испытывает при своём охлаждении эвтектическое превращение:
  

Эвтектиктическое превращение – превращение, в результате которого происходит образование эвтектики; протекает при постоянной температуре и неизменных составах участвующих фаз, одной из которых является жидкость.

Эвтектика – это механическая смесь (образуется, если компоненты не способны к взаимному растворению друг в друге в твёрдом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием промежуточной фазы) двух или более фаз, одновременно образующихся из расплава при его эвтектической кристаллизации.

Эвтектика называется ледебуритом. Обозначается как Л. Ледебурит – это крайне хрупкая структурная составляющая (твёрдость (600) HB), т.к. содержит 50 % цементита, и цементит в ледебурите – основа. На микроструктуре в железоуглеродистых сплавах при комнатной температуре ледебурит выявляется как зернистая смесь цементита (белая основа) и округлых тёмных зёрен перлита (т.к. аустенит при пересечении линии PSK превращается в перлит).

• 
  Линия PSK – это линия эвтектоидного превращения. Любой железоуглеродистый сплав, пересекающий эту линию испытывает при своём охлаждении эвтектоидное превращение:
  

Эвтектоидное превращение – превращение, в результате которого происходит образование эвтектоида; протекает при постоянной температуре и неизменных составах участвующих фаз, находящихся в твёрдом состоянии.

Эвтектоид – это механическая смесь (образуется, если компоненты не способны к взаимному растворению друг в друге в твёрдом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием промежуточной фазы) двух или более фаз, одновременно образующихся в результате распада твёрдого раствора.

Эвтектоид называется перлитом. Обозначается как П. Перлит – это прочная структурная составляющая (предел прочности ; пластичность ; твёрдость ), имеющая пластинчатое строение. На микроструктуре в железоуглеродистых сплавах при комнатной температуре перлит выявляется как пластинчатая смесь феррита (белые пластинки) и цементита (тёмные пластинки).

Для полного структурного анализа диаграммы метастабильного равновесия Fe–Fe₃C необходимо построение кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов. В результате такого анализа можно указать структурный состав сплавов на диаграмме. Для примера, построим кривую охлаждения сплава с концентрацией по углероду 5 %:



1) до т.1 жидкий раствор состава 1 (5,0% С) охлаждается по вогнутой кривой (поглощение энергии);

2) от т.1 до т.2 двухфазная область, а значит сплав претерпевает «событие»: т.к. сплав пересекает линию переменной растворимости DC, то растворимость углерода в жидком растворе падает от т.1 до т.C ( ). В результате этого из жидкого раствора выделяется фаза богатая углеродом – цементит первичный ( ), причём жидкий раствор не переходит полностью в новую фазу, а остаётся, правда, уже обеднённый по углероду.

3) в т.2 сплав, пресекая линию ECF претерпевает эвтектическое превращение (на кривой охлаждения изображается как прямая 2-2´, т.к. превращение идёт при постоянной температуре), при котором оставшийся жидкий раствор распадается на две фазы – аустенит и цементит, смесь которых называется ледебуритом ( ). Таким образом, на данном этапе в микроструктуре сплава присутствуют цементит первичный и ледебурит (который состоит из аустенита и цементита).

4) от т. 2 до т.3 сплав снова попадает в двухфазную область, следовательно, претерпевает «событие»: хотя сплав и не пересекает линию переменной растворимости ES, но в нём есть аустенит, который является твёрдым раствором внедрения переменной растворимости. Значит, что при охлаждении аустенита растворимость углерода в нём уменьшится от т.Е (2,14% С) до т.S (0,8% С), и выделится фаза, богатая углеродом – цементит вторичный ( ). Причём в сплаве аустенит остаётся, но он обеднён углеродом. Таким образом, на данном этапе в микроструктуре сплава присутствуют цементит первичный и ледебурит (который состоит из аустенита и цементита), а также цементит вторичный в виде сетки по краям зёрен аустенита.

5) в т.3 сплав, пресекая линию PSK претерпевает эвтектоидное превращение (на кривой охлаждения изображается как прямая 3-3´, т.к. превращение идёт при постоянной температуре), при котором оставшийся аустенит распадается на две фазы – феррит и цементит, смесь которых называется перлит ( ). Таким образом, на данном этапе в микроструктуре сплава присутствуют цементит первичный и ледебурит (который состоит уже из перлита и цементита), и цементит вторичный.

6 ) от т. 3 до т.4 сплав снова попадает в двухфазную область, следовательно, претерпевает «событие»: хотя сплав и не пересекает линию переменной растворимости PQ, но в нём есть феррит, который является твёрдым раствором внедрения переменной растворимости. Значит, что при охлаждении феррита растворимость углерода в нём уменьшится от т.P (0,02% С) до т.Q (0,006% С), и выделится фаза, богатая углеродом – цементит третичный ( ). Таким образом, на данном этапе в микроструктуре сплава присутствуют цементит первичный, ледебурит (состоит из перлита и цементита), цементит вторичный в виде сетки по краям зёрен перлита. Третичного цементита увидеть в микроскоп не удаётся, т.к. его сетка образуется вокруг пластинок феррита, который входит в перлит, который входит в ледебурит.

При построении множества кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов можно провести структурный анализ диаграммы. Конечный результат такого анализа показан на рис. 2.



Рис. 2. Диаграмма метастабильного равновесия Fe–Fe3C; указан структурный состав.

Железоуглеродистые сплавы принято делить на три группы:

- техническое железо (от 0% С до 0,02% С), в своём составе не содержат ни перлита, ни ледебурита;

- стали (от 0,02% С до 2,14% С), в своём составе содержат прочный перлит, и не содержат хрупкого ледебурита;

- чугуны (от 2,14% С до 6,67% С) в своём составе содержат хрупкий ледебурит.

Наличие и отсутствие ледебурита наисильнейшим образом сказывается на механических свойствах чугунов и сталей: стали являются ковкими прочными сплавами, а чугуны литейными, но хрупкими.

Стали в зависимости от структурного состава принято разделять на доэвтектоидные (от т.P до т.S), эвтектоидную (т.S) и заэвтектоидные (от т.S до т.E).

Чугуны в зависимости от структурного состава принято разделять на доэвтектические (от т.Е до т.С), эвтектический (т.С) и заэвтектические (от т.С до т.F).

Механические свойства сталей зависят от содержания в них прочного перлита, пластичного феррита, твёрдого цементита и наличия (отсутствия) вторичного цементита: увеличение доли перлита приводит к росту прочностных свойств, увеличение доли феррита приводит к росту пластических свойств, увеличение доли цементита приводит к росту твёрдости, а наличие вторичного цементита в виде сетки приводит к резкому охрупчиванию стали.

По назначению стали делят на конструкционные и инструментальные:

конструкционные стали % C 0,7 - сочетание мех. свойств ( , HB, KCU и др.) - использование: валы, оси, втулки, не сильно нагруженные зубчатые колёса, рессоры, пружины и др. - маркировка Ц, где Ц – это цифра (например, 20, 35, 50 и др.), которая показывает содержание углерода в стали в сотых долях.

инструментальные стали % C - max твёрдость и износостойкость - использование: инструмент слесарный и мерительный, подшипники и др. - маркировка УЦ, где Ц – это цифра (например, У7, У10, У13 и др.), которая показывает содержание углерода в стали в десятых долях.

Чугуны подразделяют на белые, серые, высокопрочные и ковкие.

Если в чугунах углерод находится в связанном с железом метастабильном химическом соединении – карбиде Fe₃C, то такой чугун называют белым (т.к. цвет его излома светлый). Такие чугуны обладают прекрасными литейными свойствами, однако они хрупки. Поэтому используются для отливок, которые идут на передел в ковкий чугун. Маркируются БЧ (Б – белый, Ч – чугун).

В серых, высокопрочных и ковких чугунах углерод находится в свободной форме в виде графита (обозначается как Гр). Для того, чтобы в чугуне появился графит необходимо провести его графитизацию, т.е. вывести атомы углерода из карбида железа: . Существует два способа это сделать:

1) варьируя скорость охлаждения при кристаллизации чугуна и добавляя в него химические элементы (графитизаторы), способствующие образованию графита.

При таком способе можно получить серые чугуны (в них графит имеет пластинчатую форму) и высокопрочные чугуны (только если добавить помимо графитизатора ещё и присадки магния Mg, способствующие изменению формы графита на шаровидную).

слева – пластинчатый Гр, имеет вид лепестков; справа – микроструктура пластинчатого Гр	слева – шаровидный Гр; справа – микроструктура шаровидного Гр

Графит является мягкой фазой. Поэтому в случае нагружения чугуна он будет являться концентратором напряжений. Поэтому графит в виде пластинок приводит к снижению прочностных свойств, и, наоборот, в шаровидном виде – к увеличению прочностных свойств.

Графитизатором является такой химический элемент как кремний Si. В зависимости от его содержания в чугуне, содержания углерода в сплаве (и толщины отливки) можно получить серый/высокопрочный чугун с разной полнотой протекания процесса графитизации. Полнота протекания процесса графитизации влияет на то, какая металлическая матрица будет в чугуне:

1) ферритная (полная графитизация, весь карбид перешёл в графит; в структуре Ф+Гр);

2) перлитная (частичная графитизация, не весь карбид перешёл в графит; в структуре П+Гр);

3) или феррито-перлитная («незавершённая полная», когда в структуре помимо Гр есть как Ф, так и П).

На практике существует структурная диаграмма для чугунов, которая показывает полноту протекания процесса графитизации при использовании Si и варьировании скорости охлаждения.



влияние Si влияние толщины отливки ( )

Области: I – белые чугуны – Л(П+Ц), , П (мало Si); II – половинчатые чугуны – Л(П+Ц), , П, Гр (недостаточно Si) – не используется ; III – перлитный чугун – П+Гр; IV – феррито-перлитный чугун – Ф+П+Гр; V – ферритный чугун – Ф+Гр.
Серые чугуны маркируются СЧЦ, где С – серый, Ч – чугун, Ц – цифра, обозначающая десятую долю от предела прочности (например, СЧ25, «25» означает, что предел прочности равен 250 МПа).

Высокопрочные чугуны маркируются ВЧЦ, где В – высокопрочный, Ч – чугун, Ц – цифра, обозначающая десятую долю от предела прочности (например, ВЧ45, «45» означает, что предел прочности равен 450 МПа).

2) путём распада карбида железа при достаточной диффузии углерода к центрам кристаллизации Гр и самодиффузии Fe от мест, где выделился Гр, осуществляемый в процессе отжига белого чугуна

При таком способе получают ковкие чугуны. Графит в них имеет хлопьевидную форму.



слева – хлопьевидный Гр; справа – микроструктура хлопьевидного Гр

Металлическая матрица ковкого чугуна также зависит от полноты протекания процесса графитизации, которая, в свою очередь, зависит от схемы применяемого отжига.



Заготовку (отливку) из белого чугуна нагревают и дают пройти:

- только 1-ой стадии графитизации (получают перлитный ковкий чугун);

- и 1-ой и 2-ой стадиям графитизации (получают ферритный ковкий чугун);

- 1-ой и не завершают 2-ую стадию графитизации (получают феррито-перлитный ковкий чугун).

Первая стадия графитизации заключается в том, что в белом чугуне распадается цементит, который входит в ледебурит, и (если есть) цементит первичный. Вторая стадия графитизации заключается в том, что распадается цементит, который входит в перлит (т.к. при охлаждении аустенита неминуемо образование перлита).

Ковкие чугуны маркируются КЧЦ₁-Ц₂, где К – ковкий, Ч – чугун, Ц₁ и Ц₂ обозначают десятую долю от предела прочности и пластичность чугуна (целое число) (например, КЧ50-5, «50» означает, что предел прочности равен 500 МПа, а «5», что пластичность равна 5 %).
Замечание: на микроструктурах серых, высокопрочных и ковких чугунов до травления можно увидеть только графитовые включения, а после травления – металлическую матрицу и графитовые включения.