презентация. Влияние легирующих элементов на аллотропию железа
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
Легированые стали Влияние легирующих элементов на аллотропию железа Как мы знаем, гамма-железо стабильно между температурами А 3 (910 °С) и А 4 (1401 °С). Приведу примеры влияния легирующих элементов на аллотропию бинарных(двойных) растворов на основе железа (см рис1) НАДО ПЕРЕРИСОВАТЬ  Рисунок 1. М- легирующий элемент Обратим внимание на отсутствие превращения фазы гамма в фазу альфа в некоторых сплавах в диаграммах на рисунках 1а и 1в Рассмотрим теперь трехкомпонентные диаграммы Fe - M1 –M2 (M1 и M2 легирующие элементы)НЕ НАДО ПЕРЕРИСОВЫВАТЬ   Рисунок 2. Оба легирующих элемента либо замыкают область гамма -фазы( левый рисунок) , либо открывают ее (правый рисунок) Легко заметить, что и в случае трехкомпонентных твердых растворов гамма и альфа есть сплавы, в которых превращение этих фаз друг в друга отсутствует.  Рисунок 3. В этом случае компонент М1 открывает гамма область, а компонент М2 замыкает ее. И в такой системе есть сплавы с отсутствием гамма-альфа превращения. Приведем еще один пример трехкомпонентной диаграммы фазового равновесия., когда к двухкомпонентной диаграмме железо-цементит добавлено небольшое кол-во третьего компонента НАДО ПЕРЕРИСОВАТЬ ТОЛЬко красный разрез  Рисунок 4. Черного цвета двухкомпонентная диаграмма железо-цементит Красного цвета политермической разрез трехкомпонентной диаграммы с добавлением небольшого кол-ва третьего компонента.  Поскольку в сталях практически всегда присутствует углерод, элементы таблицы Менделеева, склонные к образованию карбидов, образуют в легированных сталях различные карбидные фазы. Примеры таких фаз приведены на рисунке 5. Есть в Лившице  Рисунок 5. Примеры карбидов в легированных сталях Разнообразие фазовых и структурных превращений в легированных сталях велико Поэтому ни одна классификация легированных сталей не является исчерпывающей Мы изучим одну из этих классификаций .Это классификация по фазовому равновесию или классификация по Обергофферу. В основу классификации положены 2 принципа а. Наличие или отсутствие гамма-альфа превращения ( также есть частичные превращения) б. С.С. в стали после отжига ( т.е. в соответствии с диаграммой фазового равновесия.) Рассмотрим сначала 4 основных класса легированных сталей – ферритный, аустенитный, перлитный и ледебуритный или карбидный Полуферритный и полуаустенитный классы рассмотрим позже Определение основных классов сталей 1.Ферритный класс . а. По определению в сталях ферритного класса гамма-альфа превращение отсутствует( это значит, что данные стали нельзя упрочнить закалкой на мартенсит) б. С.С.: легированный феррит или легированный феррит и третичные карбиды. Пример структуры на рисунке 6  Рисунок 6. К определению ферритного класса. На диаграмме есть замкнутая гамма область. Сплав состава точки 1 нельзя отнести к сталям ферритного класса, так как в этом сплаве есть гамма-альфа превращение. А вот сплав 2 уже можно. Структура феррита сохраняется в этом сплаве от комнатной температуры до температуры плавления, аустенит в этом сплаве не появляется никогда. Легирующие элементы, замыкающие гамма область - Cr, Si,Mo др. Легирующих элементов должно быть достаточно много( в числах не могу написать- для каждого элементы свои предельные числа концентраций). Если мало легирующих элементов – вариант сплава 1(пойдет альфа-гамма превращение) и сталь не будет ферритного класса. А углерода должно мало – тогда фазовая ситуация, отображенная на рис .6 качественно не изменится после введения третьего компонента ( углерода) и сталь будет ферритного класса. 2.Аустенитный класс . а. По определению в сталях аустенитного класса гамма-альфа превращение отсутствует ( это значит, что данные стали нельзя упрочнить закалкой на мартенсит) б. С.С.: легированный аустенит или легированный аустенит и вторичные карбиды. Пример структуры на рисунке 7.  Рисунок 7. К определению аустенитного класса. На диаграмме есть открытая гамма область Светлый аустенит от светлого феррита можно отличить по более изрезанным границам, а также по наличию двойников, которые встречаются в ГЦК фазах чаще, чем в ОЦК феррите. Сплав состава точки 1 нельзя отнести к аустенитному классу, так как в нем есть гамма-альфа превращение. А сплав 2 – можно. Легирующие элементы, открывающие гамма область –Ni , (Ni +Cr), Co др. Легирующих элементов должно быть достаточно много ( в числах не могу написать- для каждого элементы свои предельные числа концентраций). Если мало легирующих элементов – вариант сплава 1(пойдет альфа-гамма превращение) и сталь не будет аустентного класса А углерода должно мало – тогда фазовая ситуация, отображенная на рис .7 качественно не изменится после введения третьего компонента( углерода) и сталь будет аустентного класса 3.Перлитный класс . а. По определению в сталях перлитного класса гамма-альфа превращение есть ( это значит, что данные стали можно упрочнить закалкой на мартенсит) б. С.С.: феррит и перлит , перлит , перлит и вторичные карбиды. Вторичные карбиды не должны выделяться по границам зерен. Сетка карбида- структурный брак. Для устранения этого дефекта структуры сталь подвергают ковке и сфероидизирующему отжигу. В результате вторичные карбиды имеют сферическую форму (см рис 8) Про стали перлитного класса можно сказать, что качественно все превращения в них как в нелегированных сталях.  Рисунок 8. Политермический разрез трехкомпонентной диаграммы Fe-C-M ( M- легирующий элемент) и примеры микроструктуры сталей перлитного класса. Сплав состава точки 1 похож на доэвтектоидную сталь. Только эвтектоидное превращение идет в этом случае в интервале температур ( между поверхностями начала и конца эвтектоидной реакции). До эвтектоидной реакции выделяется избыточный феррит В структуре сплава 2 будет только перлит В сплаве 3- сферический вторичный карбид и перлит Стали перлитного класса могут содержать любое кол-во углерода от 0,025 до 2,06%С, а легирующих элементов как правило низкое или среднее кол-во Но есть исключения ПОЭТОМУ ЛУЧШЕ ВСЕГО ОПРЕЛЯТЬ КЛАСС СТАЛИ ПО СПРАВОЧНИКАМ Сплав 4 не относится к сталям перлитного класса. В этом сплаве, расположенном правее аналога точки Е, пойдет эвтектическая реакция. В результате этой реакции в стали образуется ледебурит, так как многие легирующие элементы, такие как молибден, вольфрам, ванадий, ниобий и др. сдвигают точку Е влево и в сплавах менее чем с 2%С протекает эвтектическая реакция. Такие стали относят к ледебуритному ( карбидному классу). 4.Ледебуритный класс . а. По определению в сталях ледебуритного класса гамма-альфа превращение есть ( это значит, что данные стали можно упрочнить закалкой на мартенсит) б. С.С.: карбиды эвтектические (первичные), аустенит и продукты его распада ( перлит или мартенсит) Если сплав Х ( см. рис. 9) .охладить медленно , в нем будут перлит, вторичный карбид и ледебурит превращенный, т.е. обычные с.с. доэвтектического белого чугуна. Такая структура обладает повышенной хрупкостью ( из-за ледебурита). Поэтому часто стали ледебуритного класса подвергают ковке и сфероидизирующему отжигу. После такой обработки в структуре присутствуют перлит и карбиды разного размера - эвтектические (первичные) крупные и мелкие вторичные.  Рисунок 9. Политермический разрез. Сплав Х- сталь ледебуритного класса. Пример структуры сплава Х после ковки и отжига. В сталях ледебуритного класса как правило достаточно большое кол-во углерода и много сильных карбидообразователей( Cr, Mo ,W, V, Nb и др) Перейдем к сплавам полуферритного и полуаустенитного. В сталях этих классов альфа-гамма превращение идет частично. Для сталей полуферритного класса характерно следующее превращение при нагреве ↔ . В сталях полуаустенитного класса частичное гамма-альфа превращение может происходить при охлаждении так: ↔ КАК ОПРЕДЕЛИТЬ КЛАСС СТАЛИ? Рассмотрим экспериментальные способы определения классов стали. Прежде всего, это идентификация структурных составляющих. Вы умеете различать перлит, аустенит, феррит, ледебурит и карбиды разного происхождения( первичные- крупные, вторичные- мелкие, третичные совсем мелкие ,очень плохо разрешаются и кажутся черными точками под микроскопом) С.С. ПОСЛЕ ОТЖИГА входят в определение класса стали. Так, если в стали есть феррит и перлит- то это сталь перлитного класса- ни в каком другом классе стали таких с.с. нет. Или в стали есть ледебурит- точно ледебуритный класс .Если в стали после ковки и отжига карбиды одного размера – класс перлитный. Если разного – ледебуритный. Если же ваш образец не после отжига, можно применить химический анализ сплава ( не всегда получим точный ответ), или проанализировать фазовые и структурные превращения по разрезам тройных систем, или сделать термообработку. Например, закалку. Если после закалки в стали твердость не повысилась ( нет гамма-альфа превращения. мартенсит не образовался), сталь либо ферритного, либо аустенитного классов. Сталь аустенитного класса легко отличить от всех остальных по магнитным свойствам – она не притянется к постоянному магниту. Стали ферритного и аустенитного классов невозможно упрочнить закалкой на мартенсит. Можно упрочнить с помощью пластической деформации ( наклеп) или с помощью распада пересыщенного твердого раствора ( см 1 семестр). При распаде из твердого раствора будут выделяться мелкодисперсные частицы карбида или промежуточных фаз. Они затормозят дислокации и приведут к упрочнению. Позже рассмотрим этот вопрос на примере мартенситно-стареющих сталей. Влияние легирующих элементов на параметры термической обработки сталей Атомы легирующих элементов ( Cr , Vo , W, V и др.) крупные, диффундируют медленно. Следовательно, для диффузионного распада аустенита требуется большее время. С-образные кривые сдвигаются по оси времени вправо. Это хорошо. Так как уменьшается критическая скорость закалки, что приведет к уменьшению коробления и увеличению прокаливаемости. Исключение составляет Со – он сдвигает С-образные кривые влево.  Рисунок 10. С-образные диаграммы углеродистой (а) и легированной стали(б) Легирующие элементы, как правило, понижают Мн и Мк . Это плохо, так как увеличивается кол-во Аост. Кроме того, легирующие элементы переносят превращения при отпуске в район более высоких температур. Рассмотрим влияние легирующих элементов на термическую обработку на примере быстрорежущей стали Р18 ( три последних образца в лабораторной работе).После закалки в этой стали кол-во А ост достигает 20-30%, что сильно понижает твердость стали. После отпуска на температуру около 560оС Мартенсит закалки и А остаточный превращаются в М отпуска и карбиды. Остаточный аустенит исчезает . Твердость отпущенной стали становится больше, чем после закалки. Это так называемый эффект вторичного твердения  |