Шпаргалка по "Материаловедению"

При температуре ниже 768^o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768^o С обозначается А₂.

Структуры сталей. Структуры белого чугуна. Структуры  сплавов. Структуры сталей и сплавов.

Железо технической чистоты  обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – σ_в = 250МПа, предел текучести – σ_т = 120МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ = 50%, а относительное сужение – ψ = 80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется  высоким модулем упругости, наличие  которого проявляется и в сплавах  на его основе, обеспечивая высокую  жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами –  растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

13 Диаграмму состояния железо - углерод чаще всего представляют в интервале концентраций от железа доцементита. При этом ось абсцисс (концентрационная) на диаграмме, как правило, даётся двойной, показывая содержание углерода и цементита.

Об открытии критических точек  в стали Д.К Черновым в 1868 году и начале изучения диаграммы железо - углерод см. страницу Диаграмма железо - углерод.

Диаграмма железо-углерод, как явствует из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо с углеродом образует ряд химических соединений: цементит Fe₃C; Fe₂C; FeC и др. и, следовательно, система железо-углерод должна быть отнесена к сложной форме диаграммы с химическими соединениями.

Рассматривая диаграмму железо-углерод в участке от железа до цементита можно компонентами системы считать железо и цементит.

14 Превращение сталей в твёрдом  состоянии. Превращения в твердом состоянии. Окончательное формирование структуры стали происходит в результате превращений аустенита при дальнейшем охлаждении. Основой этого превращения является полиморфизм, связанный с перегруппировкой атомов из ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита, а также изменение растворимости углерода по линии ES в аустените и PQ в феррите. В сплавах с содержанием от 0,025 до 2,14 %С вторичные превращения начинаются при температурах, соответствующих линиям GS и SE и заканчиваются при температуре ниже 727 °С и линии PSK, в результате эвтектоидной реакции.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,025 % не испытывают эвтектоидного превращения. Критические точки аустенит ® феррит превращения (линия GS)в доэвтектоидных сталях обозначаются так же, как аллотропическое превращение в чистом железе, с индексом А₃, т.е. при нагреве Ас₃,т.е. при охлаждении Аr₃. Выделение цементита из аустенита в заэвтектоидной стали (линия SE) обозначается индексом Аc_m. При температуре 727 °С (линия PSK) критические точки обозначаются индексом А₁; при нагреве Аc₁; при охлаждении Аr₁. Распад аустенита при эвтектоидном превращении по метастабильной системе проходит с образованием феррита и цементита при переохлаждении ниже 727 °С.

А_0,8 ® Ф_0,02 +Ц          (21)

(Эвтектоидная смесь феррита  и цементита называется перлитом).

Рассмотрим структурообразование нескольких групп сплавов. На рис. 18 приведена левая нижняя часть диаграммы состояния железо-цементит с кривыми охлаждения типичных сплавов и микроструктурой.

15. Правило фаз  соотношение, связывающее число веществ (компонентов), фаз и степеней свободы в гетерогенной системе.

Уравнение Гиббса

Правило фаз записывается следующим  образом:

где j — число фаз (например, агрегатных состояний вещества);

v — число степеней свободы, то есть независимых параметров (температура, давление, концентрация компонентов), которые полностью определяют состояние системы при равновесии и которые можно менять без изменения числа и природы фаз;

k — число компонентов системы — число входящих в систему индивидуальных веществ за вычетом числа химических уравнений, связывающих эти вещества. Иначе говоря, это минимальное количество веществ, из которых можно приготовить каждую фазу системы.

n — число переменных, характеризующих влияние внешних условий на равновесие системы.

Математика позволяет  описать явления природы на символическом  языке различными способами. Удачная  интерпретация правила фаз возможна с помощью теории графов. Уравнение j + v = k + 2 может быть рассмотрено очень наглядно, как соотношение между вершинами, рёбрами, гранями и объёмами некого графа.

Правило отрезков В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз (поэтому составжидкости изменяется), и количество каждой фазы (при  кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обей фаз и их концентрацию. Для этого служит так называемое правило рычага, или правило отрезков,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17 Термическая обработка  сталей

Термическая обработка металлов разделяется на обработку черных металлов и цветных. Ниже пойдет речь конкретно об видах термической обработке стали. Также можете ознакомится с термической обработкой цветных металлов.

Обжигание — нагревание стального изделия до температуры 840—900 °С, выдержка при этой температуре не меньше 2 ч и охлаждение вместе с печью. Этот метод применяют при изготовлении из закаленного изделия другого или же когда предыдущий закал был неудачный и инструмент нужно снова закалить. Если закаливать необожженные детали, то в них могут возникнуть трещины, структура металла станет неоднородной, что резко ухудшает качество изделия. 
Мелкие детали отжигают, нагревая на массивных накаленных стальных штабах, с которыми их охлаждают. Иногда изделие нагревают ацетиленовой горелкой, которую постепенно отдаляют от изделия, чтобы изделие постепенно остыло.

Нормализация – это нагревание стальных изделий к соответствующей температуре и охлаждению на воздухе.

Основные параметры  при закалке — температура нагрева и скорость охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграммам состояния, скорость охлаждения — по диаграммам изотермического распада аустенита .

Температура закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры  выше критической точки Ас3 на 30—50 °С. Если такие стали нагреть до температуры между критическими точками Ас1 и Ас3 и охладить, то в структуре закаленной стали, кроме  мартенсита, будет присутствовать феррит, что существенно ухудшает свойства. Такая закалка называется неполной. Заэвтектоидные стали при закалке  нагревают до температуры Ас1+ (40,60 °С). После охлаждения с таких  температур получают структуру мартенсита с включением вторичного цементита, который повышает твердость и  износостойкость режущего инструмента. Если заэвтектоидную сталь нагреть  выше критической точки Аст, то после  закалки получится дефектная  структура грубоигольчатого мартенсита. Время нагрева зависит от размеров детали и теплопроводности стали, и  его обычно определяют экспериментально. Для определения времени нагрева  в справочниках приведены также  полуэмпирические формулы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18. Фазовые превращения в превращения в сталях при нагреве

Основные виды термической обработки сталей

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая обработка  применяется либо в качестве промежуточной  операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как  окончательная операция для придания металлу или сплаву такого комплекса  механических, физических и химических свойств, который сможет обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее изделия (конструкция), тем, как правило, в  ней больше термически обработанных деталей. Так как основными факторами  любого вида термической обработки  являются температура и время, то любой процесс термической обработки  можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени. При рассмотрении разных видов термообработки железо-углеродистых сплавов (стали, чугуны) используются следующие условные обозначения  критических точек этих сплавов

 

Термическая обработка, заключающаяся  в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий в неравновесном  состоянии, и приводящая его в  более равновесное состояние, называется отжигом. Охлаждение после отжига производится вместе с печью. Нагрев при отжиге может производиться ниже и выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига. Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производится с целью приведения его в однородное (равновесное) состояние за счет уменьшения (устранения) химической неоднородности, снятия внутренних напряжений и рекристаллизации называется отжигом первого рода. Его проведение не связано с прохождением фазовых превращений. Он возможен для любых металлов и сплавов.

В зависимости от того, какие  отклонения от равновесного состояния  устраняются существуют следующие  разновидности отжига 1-го рода: гомогенизационный, рекристаллизационный и уменьшающий  напряжения отжиг.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг — это термическая обработка, при которой главным процессом  является устранение последствий дендритной ликвации (химической неоднородности).

Рекристаллизационный отжиг  — это термическая обработка  деформированного металла, при которой  главным процессом является рекристаллизация металла.

Отжиг, уменьшающий напряжения — это термическая обработка, при которой главным процессом  является полная или частичная релаксация остаточных напряжений.

Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых  превращений с последующим медленным  охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом  второго рода или перекристаллизацией.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19 превращения аустенита при различных степенях переохлаждения Превращения аустенита при непрерывном охлаждении характеризуются термокинетическими диаграммами (рис. 8.13). По ним можно определить верхнюю укр и нижнюю икр критические скорости, а также скорости охлаждения, соответствующие появлению феррита, завершению феррито-перлитного превращения и началу превращения в средней области. При охлаждении аустенитнои стали происходит перлитное, мартенситное и промежуточное превращения

Рассмотрим  превращения аустенита в сталях при охлаждении (рис. 56). Сплав, содержащий 0,8% углерода, сохраняет структуру аустенитанеизменной до 723° С. При медленном охлаждении в точке 5 происходит превращение аустенита в механическую смесь, состоящую из пластинок феррита и цементита, называемую перлитом. Микроструктура перлита показана на[21, С.85]  
 
На рис. 187 показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т. е. превращение переохлажденного аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С-кривы-ми1.[1, С.247]  
 
После рассмотрения процесса превращения аустенита при постоянной температуре и разных степенях переохлаждения можно перейти к рассмотрению процесса распада аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аусте-нитного состояния, охлаждается с разной скоростью.[1, С.253]  
 
Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованиюстабильного аустенита (т. е. выше критической точки), а затем быстро охлаждают (переохлаж-| | дают) до температуры ниже Л, " " (например, до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т. д.), и выдерживают при этих температурах различное время, в том числе и до полного распада аустенита. Степень его распада можно определять разными методами: микроскопическим, магнитным, дилатометрическим и др.[2, С.162]  
 
Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада (рис. 188).[1, С.247]  
 
Следовательно, критическая точка превращения аустенита в перлит обозначается Аг\, а перлита в аустенит Ас\; начало выделения феррита из аустенита обозначается Лг3; конец растворения феррита в аустените Лс3. Начало выделения вторичного цементита из аустенита обозначается также Лг3, а конец растворения вторичного цементита в аустените — Лс3 (эту точку часто обозначают Лст).[1, С.231]  
 
Рис. 1П. Диаграмма изотермического превращения аустенита в мартенсит (изотермический). Цифры у кривых показывают степень превращения. Сталь содержит 23% N1, 3,64) Мп. остальное железо (углерода практически нет) (М. Коэн)[1, С.266]  
 
Связь между характером изотермического превращения аустенита, содержанием углерода и температурой показывает обобщенная диаграмма, приведенная на рис. 194.[1, С.252]  
 
Раньше мы приводили лишь схемы диаграмм превращения аустенита. Для полной информации о превращении аустенита той или иной марки стали необходимо обе диаграммы и ряд дополнительных сведений: марка и состав стали, температура нагрева, размер зерна аустенита, а также свойства (хотя бы твердость) продуктов распада и соотношение структурных составляющих. Это мы видим на рис. 200, где приведеныдиаграммы изотермического и анизотермичесшго превращения аустенита стали марки 40Х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20 промежуточное превращение аустенита (бейнитное)

Бейнит  игольчатый троостит - игольчатая структура железоуглеродистых сплавов, образующаяся при термической обработке в результате промежуточного превращения аустенита. Иногда структуру бейнита называют игольчатый троостит или продукты промежуточного превращения. Бейнитсостоит из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа. Часто в структуре бейнита имеется остаточный аустенит с изменённым (по сравнению со средним) содержанием углерода. По  морфологии бейнит подразделяется на две главные группы: игольчатый и  зернистый. Бейнитное превращение Превращение аустенита в бейнит имеет общие черты с перлитным и мартенситным превращениями, поэтому с бейнитным превращением следует познакомиться после изучения превращения аустенита в мартенсит [1]. Бейнитное превращение переохлаждённого аустенита происходит в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенситного интервала, поэтому его часто называют промежуточным. Бейнитное превращение имеет черты перлитного и мартенситного превращения (поэтому бейнитное превращение не следует относить к основным видам). Определяющей  особенностью бейнитного превращения является то, что оно протекает в интервале температур, когда практически отсутствует диффузия (самодиффузия) железа, но интенсивно протекает диффузия углерода. Верхний бейнит и нижний бейнит Различают верхний бейнит и нижний бейнит, которые отличаются друг от друга не только по виду микроструктуры, но и по свойствам. Верхний бейнит образуется из переохлаждённого аустенита при температурах 500-350°C. Структура верхенго бейнита более грубая. Верхний бейнит имеет "перистое" строение и состоит из вытянутых частиц феррита в форме пластин и из параллельных им тонких частиц цементита. Частицы феррита в верхнем бейните имеют форму "реек" (толщина реек <1 мкм, ширина 5-10 мкм). Твёрдость и прочность сталей со структурой верхнего бейнита высоки, но пластичность понижена. Нижний бейнит образуется из переохлаждённого аустенита при температурах 350-200°C. У нижнего бейнита игольчатое строение, похожее на строение мартенсита, а состоит он из тонких частиц карбида, расположенного в пластинках феррита, пересыщенного углеродом. Карбиды нижнего бейнита очень мелкие, благодаря этому структура нижнего бейнита является предпочтительной, так как обеспечивает высокую твердость и прочность стали и при этом сохраняет высокую пластиность.