«В.В. Тарасов, С.Б. Малышко МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Учебное пособие Рекомендовано методическим советом Морского государственного университета в качестве учебного пособия для организации самостоятельной работы студентов и ...»

В.В. Тарасов, С.Б. Малышко

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

Морской государственный университет

имени адмирала Г.И. Невельского

В.В. Тарасов, С.Б. Малышко

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом

Морского государственного университета

в качестве учебного пособия для организации самостоятельной работы студентов и курсантов Владивосток 2008 УДК681.3:669.017.12(075.8) Тарасов В. В. Материаловедение: учеб. пособие / В. В. Тарасов, С. Б. Малышко. – Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2008. – 72 с.

Учебное пособие составлено с учетом требований Государственного образовательного стандарта для технических специальностей высших учебных заведений. Рассмотрены основы теории сплавов, сплавы на основе железа, основы термической обработки углеродистых сталей.

Предназначено для самостоятельной работы студентов и курсантов при освоении данных разделов общепрофессиональной дисциплины.

Ил. 28, табл. 8, библиогр. 4 назв.

Рецензенты:

А.А. Попович, д-р техн. наук, профессор, директор института механики, автоматики и передовых технологий Дальневосточного государственного технического университета;

Г.С. Филиппов, д-р транспорта, профессор, директор института пищевой и холодильной промышленности Дальневосточного государственного технического рыбного университета Тарасов В.В., Малышко С.Б., Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, Введение Требования к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки инженера определяются государственным образовательным стандартом. Для курса «Материаловедение» включают в себе следующие основные разделы.

Строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов. Стали и чугуны. Конструкционные металлы и сплавы. Цветные металлы и сплавы. Теория и технология термической обработки стали. Химикотермическая обработка. Жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы. Неметаллические материалы. Электротехнические материалы, резина, пластмассы. Поведение материалов в эксплуатации.

Этот курс представлен для всех специальностей, в стандартах которых в блоке общепрофессиональных дисциплин предусматривается изучение курса «Материаловедение» или «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».

Освоение курса «Материаловедение» осуществляется по рабочей программе и семестровому календарному учебному плану, которые разрабатываются на основе государственного образовательного стандарта дипломированного специалиста и способствуют выполнению требований к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки инженера и условиям ее реализации в сроки, предусмотренные стандартом.

Работа по освоению курса предусматривается, как в часы аудиторных занятий, так и самостоятельно. На самостоятельную работу по освоению дисциплины при очном обучении планируется 50 % от бюджета времени, отводимого для освоения всего курса.

Выполнение индивидуальных заданий предусматривается по трем разделам: основам теории сплавов, железоуглеродистые сплавы и основам термической обработки углеродистых сталей.

Защита индивидуальных заданий осуществляется тестированием.

Подготовиться к тестированию можно, используя разработанный на кафедре электронный учебно-методический комплекс (ЭУМК) по материаловедению.

ЭУМК установлен на сайте кафедры «Технология материалов», который имеет открытый доступ через Интернет и локальную сеть:

http://tm.msun.ru/tm/index.php Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ 1.1. Основные теоретические сведения 1.1.1. Фазовый состав сплавов Сплавами называются вещества, полученные сплавлением или спеканием из двух и более элементов. В сплавах элементы могут поразному взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, имеющая одинаковые состав, строение и свойства. В зависимости от атомно-кристаллической структуры различают твердые растворы и химические соединения.

Твердыми растворами называют кристаллы, в которых сохраняется тип кристаллической решетки элемента-растворителя. Твердые растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Если твердый раствор состоит из двух элементов А и В, то атомы растворенного элемента В (или А) размещаются в кристаллической решетке растворителя – элемента А (или В), замещая атомы в узлах решетки или внедряясь между узлами. В первом случае кристаллы называют твердыми растворами замещения, во втором – твердыми растворами внедрения.

Твердые растворы обозначаются буквами греческого алфавита:, Кристаллы, образованные различными элементами, вступившими в химическую связь и имеющие собственный тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток, составляющих их элементов, называются химическими соединениями.

Строение металлических сплавов зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, их образующие. Cтруктура характеризует форму, размеры и взаимное расположение фаз в сплаве.

При кристаллизации сплавов могут образоваться однородные твердые растворы, химические соединения и смеси различных фаз.

Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния, изучению которых посвящена эта глава.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплавов. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы строится в координатах температура – химический состав сплава (рис. 1.1).

В точках А и В проходят вертикальные оси, между которыми расположена диаграмма состояния компонентов А и В. Точки абсциссы АВ соответствуют составам сплавов компонентов А и В, которые выражаются через содержание одного из компонентов (например, компонента В). При этом величина отрезка АВ принимается за 100% компонента В (или А).

Так, сплав Х, указанный на рис. 1.1, содержит 30% компонента В и 70% компонента А.

1.1.2. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях представлена на рис. 1.2. На диаграмме состояния имеются две линии:

А'mB' – линия температур начала кристаллизации (конца плавления) сплавов, или линия ликвидуса твердого раствора; А'nB' – линия температур конца кристаллизации (начала плавления), или линия солидуса твердого раствора. Эти линии делят всю диаграмму состояния на три фазовые области. Выше линии ликвидуса располагается область однофазных жидких растворов, ниже солидуса – область однофазных твердых растворов. Между линиями ликвидуса и солидуса находится двухфазная область (Ж+).

Рис. 1.2. Диаграмма состояния системы А – В с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях Рассмотрим процессы, которые будут происходить в сплаве Х при его равновесном охлаждении (рис. 1.3, а). При охлаждении образца, находящегося в жидком состоянии, до комнатной температуры в сплаве будут наблюдаться две критические точки (m и n), соответствующие температурам t1 и t2. В исходном состоянии сплав представляет собой жидкий раствор, состав которого соответствует составу сплава. При охлаждении образца сплава до температуры первой критической точки t1 сплав будет оставаться однофазным.

При температуре t1 из жидкого раствора, состав которого отвечает точке m, начнут выделяться кристаллы твердого раствора, состав которых соответствует точке k. Произойдет изменение фазового состояния сплава, он станет двухфазным, начнется процесс кристаллизации. Температура t1 – температура ликвидуса сплава Х.

Фигуративная точка, отвечающая жидкой фазе, при понижении температуры будет перемещаться от точки m вниз по кривой ликвидуса, а фигуративная точка, соответствующая твердому раствору, – от точки k вниз по кривой солидуса. При какой-то промежуточной температуре t2 составы находящихся в равновесии жидкой и твердой фаз будут описываться фигуративными точками c и d, а состояние сплава Х – фигуративной точкой f. Отрезок cd, соединяющий фигуративные точки равновесных фаз, носит название коноды. Количество каждой из равновесных фаз в рассматриваемом сплаве может быть определено по правилу рычага. Если принять за точку опоры мысленного рычага cd фигуративную точку f, согласно правилу рычага отношение масс фаз будет обратно отношению отрезков от точки f до фигуративных точек соответствующих фаз.

Таким образом, где mЖ и m – масса соответственно жидкой и твердой фаз.

Рис. 1.3. Кристаллизация двухкомпонентного сплава:

а) диаграмма состояния системы А–В; б) кривая охлаждения сплава Х Из уравнения (1) следует, что где mспл – масса сплава.

Как видно из этих уравнений, количество той или иной фазы в сплаве может быть выражено в долях или в процентах от массы всего сплава. При этом вся длина коноды cd будет соответствовать массе всего сплава, то есть 100 %, а отрезки cf и fd – массам фазы и жидкой фазы.

Процесс кристаллизации закончится при такой температуре, при которой отрезок коноды между точками, соответствующими кристаллам фазы и сплаву, будет равен нулю. Такой температурой будет температура t2. Температура конца кристаллизации сплава t2 называется температурой солидуса сплава. Точки r и n будут соответствовать составам последних капель жидкого раствора и кристаллов фазы, находящихся в равновесии друг с другом при температуре t2. Следовательно, процесс кристаллизации сплава Х происходит в интервале температур от t1 до t2. При этом фигуративная точка жидкого раствора перемещается по кривой ликвидуса от точки m до точки r, а фигуративная точка твердого раствора – по кривой солидуса от k до точки n.

Процесс кристаллизации может быть записан в виде реакции Эта реакция является реакцией кристаллизации сплава.

При охлаждении сплава Х от t2 до комнатной температуры в нем никаких фазовых превращений не происходит.

Кривая охлаждения образца сплава Х (рис. 1.3, б) в интервале температур от t1 до t2 изменяет свой ход, что связано с выделением теплоты кристаллизации. Поэтому по термограммам охлаждения сплава можно определить температуры ликвидуса и солидуса.

Подобные кривые получаются и при термическом анализе других сплавов заданной системы. Различие между кривыми охлаждения различных сплавов заключается лишь в температурах критических точек.

После равновесной кристаллизации структура сплава Х будет состоять из кристаллов твердого раствора, состав которых соответствует составу сплава (рис. 1.4).

1.1.3. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состояниях (эвтектический тип) Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии эвтектического типа приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Фазовая диаграмма двухкомпонентной системы А – В с ограниченной растворимостью их в твердом состоянии А'e – линия ликвидуса твердого раствора (твердого раствора компонента В в компоненте А), В'e – линия ликвидуса твердого раствора (твердого раствора компонента А в компоненте В). А'а и В'b – это линии солидуса и твердых растворов соответственно; ab – эвтектическая линия; е – эвтектическая точка; аc является линией ограниченной растворимости компонента В в компоненте А (линией сольвуса раствора), а bd – линией ограниченной растворимости компонента А в компоненте В (линией сольвуса раствора). Эти линии разбивают всю диаграмму состояния системы А – В на шесть фазовых областей: три однофазные области (Ж,, ) и три двухфазные области (Ж+, Ж+, +). Эвтектическая прямая является по существу седьмой, выродившейся в линию трехфазной областью Ж++.

Все сплавы системы А – В могут быть подразделены на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические сплавы. Состав эвтектического сплава соответствует составу точки эвтектики е. Доэвтектические сплавы находятся в области, расположенной между точками а и е, а заэвтектические сплавы – в области между точками е и в.

Проанализируем процессы, происходящие при охлаждении эвтектического сплава Х такой системы, в которой величина предельной растворимости как компонента В в твердом растворе, так и компонента А в твердом растворе не изменяется при изменении температуры (рис. 1.6, а). Вертикаль, проходящая через точку Х, пересекает линии диаграммы состояния в точке е.

t, oC Рис. 1.6. Кристаллизация эвтектического сплава:

а) диаграмма состояния системы А – В; б) кривая охлаждения эвтектического Следовательно, сплав Х будет иметь одну критическую точку, которой соответствует эвтектическая температура te. При охлаждении сплава до te фазовый состав сплава изменяться не будет. Точка е одновременно принадлежит как кривой ликвидуса твердого раствора, так и кривой ликвидуса твердого раствора. Жидкий сплав, фигуративная точка которого соответствует точке е, будет одновременно насыщен как по отношению к кристаллам раствора, так и по отношению к кристаллам фазы. Поэтому из этого жидкого раствора в процессе равновесной кристаллизации одновременно будут выделяться как, так и кристаллы. Получающаяся в результате кристаллизации сплава Х смесь и кристаллов носит название эвтектической смеси, или эвтектики. Процесс эвтектической кристаллизации может быть записан в виде реакции При равновесной эвтектической кристаллизации в образце сплава Х в равновесии находятся три фазы: жидкий раствор, кристаллы твердого раствора и кристаллы твердого раствора, составы которых соответствуют фигуративным точкам е, a и b. После окончания эвтектической кристаллизации структура сплава будет представлять собой эвтектическую смесь кристаллов и фаз. Соотношение количеств этих фаз в эвтектике Предельные растворимости компонентов А и В в фазах, при изменении температуры не изменяются, поэтому в процессе охлаждения сплава Х до комнатной температуры составы фаз в сплаве изменяться не будут.

На рис. 1.6, б представлена кривая охлаждения сплава Х. На кривой охлаждения наблюдается горизонтальная площадка, соответствующая эвтектической кристаллизации. Микроструктура эвтектического сплава (рис. 1.7) имеет одну структурную составляющую эвтектику, но фазовых составляющих в структуре сплава Х будет две. Это эвтектические кристаллы твердого раствора и эвтектические кристаллы твердого раствора.

Рис. 1.7. Микроструктура эвтектического сплава (схема) Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении образца доэвтектического сплава Х1 такой системы, в которой предельная растворимость компонента В в твердом растворе и предельная растворимость компонента А в твердом растворе уменьшаются с понижением температуры (рис. 1.8). Вертикаль сплава Х1 пересекает в точках 1 и 2 две линии диаграммы состояния. В интервале температур от t до te происходит кристаллизация твердого раствора:

Кристаллы фазы, выделяющиеся в эту стадию кристаллизации, называются первичными. В конечный момент кристаллизации фигуративная точка первичных кристаллов оказывается в точке а, а фигуративная точка жидкого раствора в точке е.

При температуре te жидкий раствор кристаллизуется в виде эвтектики Таким образом, кристаллизация сплава Х1 происходит в две стадии. Поэтому после эвтектической кристаллизации при температуре te структура сплава будет состоять из двух структурных составляющих:

первичных кристаллов твердого раствора и эвтектики а+b. Фазовых составляющих в структуре сплава Х1 после кристаллизации эвтектики будет также две. Это кристаллы и фаз.

В результате того, что предельная растворимость компонента В в твердом растворе уменьшается с понижением температуры, в процессе охлаждения будет происходить распад твердого раствора с выделением вторичных кристаллов. При этом фигуративная точка кристаллов будет перемещаться по кривой аc, а кристаллов – по кривой bd.

Этот процесс может быть записан в виде реакции В результате этого процесса в кристаллах фазы появятся мелкие вторичные кристаллы фазы. С понижением температур предельная растворимость компонента А в твердом растворе также уменьшается, поэтому аналогичный процесс будет происходить и в кристаллах фазы:

Реакции (2) и (3) могут быть объединены, так как они протекают одновременно:

В результате этих процессов появляются вторичные кристаллы в первичных кристаллах фазы и в кристаллах и фаз эвтектики.

Однако выделения вторичных кристаллов в эвтектике не заметно, так как сама эвтектика на шлифе выглядит как достаточно дисперсная смесь двух видов кристаллов. Поэтому вторичные кристаллы заметны только в первичных кристаллах твердого раствора. Кривая охлаждения Х1 приведена на рис. 1.8, б. В структуре сплава Х1 (рис. 1.9, а) наблюдаются следующие структурные составляющие: первичные кристаллы твердого раствора с выделением вторичных кристаллов и + эвтектика. В структуре будут две фазовые составляющие: кристаллы с и d фаз, состав которых соответствует фигуративным точкам c и d.

Заэвтектический сплав Х2 также имеет две критические точки (точки 3 и 4). При охлаждении сплава Х2:

Рис. 1.8. Кристаллизация доэвтектического и заэвтектического сплавов:

а) диаграмма состояния эвтектического типа системы А – В; б) кривые охлаждения сплавов Х1 и Х Согласно указанным выше формулам, процесс кристаллизации этого сплава происходит в две стадии и в структуре сплава будут следующие структурные составляющие: первичные кристаллы фазы с включениями вторичных кристаллов и эвтектика (рис. 1.9, б).

Рис. 1.9. Схематическое изображение микроструктуры:

Кривая охлаждения сплава Х2 приведена на рис. 1.8, б. В других до- и заэвтектических сплавах при их охлаждении из жидкого состояния будут происходить процессы, аналогичные рассмотренным выше сплавам Х1 и Х2.

Рассмотрим процессы, происходящие при равновесом охлаждении образца сплава Х3 (рис. 1.10). Вертикаль сплава пересекает три линии диаграммы состояния в точках 5, 6 и 7. Поэтому при охлаждении сплава Х3 будут наблюдаться три критические точки (t5, t6 и t7):

Стадии охлаждения до температуры t7 аналогичны стадиям охлаждения и кристаллизации сплавов типа твердых растворов. При температуре t7 фигуративная точка сплава оказывается на кривой сольвуса твердого раствора. Поэтому твердый раствор будет насыщенным относительно кристаллов фазы и при дальнейшем охлаждении из кристаллов фазы будут выделяться вторичные кристаллы фазы.

а) диаграмма состояния эвтектического типа системы А – В;

Эти кристаллы фазы образуются как по границам, так и внутри кристаллов. На рис. 1.11 приведена структура образца сплава Х3, а на рис. 1.10, б – кривая его охлавторичные стоит из кристаллов раствора, содержащих включения вторичных кристаллов твердого раствора. В структуре сплава Х3 будут фазовые составляющие: кристаллы и фаз.

В табл. 1.1 приведены исходные данные для выполнения первого домашнего задания. Типы диаграмм состояния (колонка 2, табл. 1.1) представлены на рис. 1.12, 1.13, 1.14.

Исходные данные для выполнения задания 1.2.2. Порядок выполнения задания Для выполнения задания необходимо:

1. Выяснить у преподавателя курса «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» Ваш порядковый номер по классному журналу (этот номер соответствует № варианта по табл. 1.1), определить соответствующий этому варианту тип диаграммы состояния и состав сплава. Например, для варианта задания № 15 следует копировать диаграмму состояния третьего типа (рис. 1.14), выписать состав двойного сплава равный 10 % компонента В.

2. Изобразить диаграмму состояния системы АВ в соответствии с Вашим вариантом задания в фазовом и структурном виде.

3. Обозначить на рисунках критические точки, линии ликвидуса, солидуса, сольвуса, фазовые превращения, фазовые и структурные области.

4. Нанести на диаграмму фигуративную линию контрольного сплава с указанием критических точек.

5. Построить кривую охлаждения двойного сплава заданного состава, рассмотреть превращения, проходящие при его кристаллизации.

6. В середине температурного интервала первичной кристаллизации заданного сплава определить количественное соотношение фаз и их химический состав.

7. Изобразить микроструктуру заданного сплава при нормальной температуре, отметив структурные составляющие и фазы.

Отчет по домашнему заданию выполняется по установленной форме на форматных листах (А4).

Защита задания проводится на 5-й неделе занятий в часы консультаций.

1.2.3. Контрольные вопросы для защиты задания 1. Что означает проекция точки пересечения коноды с линией солидуса на ось концентраций?

2. Что означает проекция точки пересечения коноды с линией ликвидуса на ось концентраций?

3. Конода разделена точкой, показывающей состав сплава на два отрезка. Отрезок прилегающий к линии ликвидуса вдвое длиннее. Каков процент жидкой фазы в сплаве?

4. Конода разделена точкой, показывающей состав сплава на два отрезка. Отрезок прилегающий к линии ликвидуса вдвое длиннее. Каков процент твердой фазы в сплаве?

5. На какой линии лежит точка, соответствующая концу равновесной кристаллизации сплава?

6. Сколько фаз находятся в равновесии при первичной кристаллизации двухкомпонентного сплава неэвтектического состава?

7. Как называется разница между температурой плавления и кристаллизации металла?

8. Из каких фаз состоит структура сплава, содержащего 30 % компонента А (рис. 1.13) в области первичной кристаллизации?

9. Каким образом изменяется состав твердой фазы при кристаллизации сплава, содержащего 60 % компонента В (рис. 1.12)?

10. Сплав с какой структурой (рис. 1.14) будет иметь минимальную температуру плавления?

11. Как называется способность твердого тела существовать в нескольких кристаллических структурах?

12. По какой линии изменяется состав жидкой фазы в процессе кристаллизации?

13. По какому правилу определяется состав фаз?

14. По какому правилу определяется количество фаз, находящихся в равновесии?

15. В каких координатах строят кривые охлаждения сплавов?

16. Как называется переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры?

17. Как называется группа химических элементов, обладающих в области низких температур явлением сверхпроводимости?

18. Как называется линия диаграммы состояния, на которой лежат точки, соответствующие началу равновесной кристаллизации сплава?

19. Как называется линия диаграммы состояния, на которой лежат точки, соответствующие концу равновесной кристаллизации сплава?

20. Что называют зерном металла?

1.3. Информационно-справочные данные Аллотропия, полиморфизм (allotropу, polymorphism) – способность некоторых металлов существовать в двух или нескольких кристаллических формах.

Анизотропия (anisotropy) – различие свойств металлов и сплавов в разных кристаллографических направлениях.

Гетерогенная система (от греч. heterogenes – разнородный) – макроскопически неоднородная физико-химическая система, состоящая из различных фаз, разграниченных поверхностями раздела.

Гетерогенные сплавы (heterogeneous alloy) – сплавы, структура которых состоит из двух или более фаз.

Гомогенизационный отжиг (diffusion annealing, homogenizing) – отжиг при высокой температуре и длительной выдержке с целью уменьшения химической неоднородности, обусловленной ликвацией.

Гомогенная система (от греч. homogenes - однородный) – макроскопически однородная система, состоящая из одной фазы.

Гомогенные сплавы (homogeneous alloys) – сплавы, структура которых состоит из одной фазы (например, твердого раствора).

Двойные системы, или бинарные, двухкомпонентные (double system, or binary, two components) – физико-химические системы, состоящие из двух независимых составных частей (компонентов).

Дендрит (dendrite) – кристалл древовидной формы, возникающий при кристаллизации в результате различий в скоростях роста зародыша в разных кристаллографических направлениях.

Дендритная ликвация (dendrite liquation) – ликвация внутри одного дендрита или зерна, определяемая интервалом и скоростью кристаллизации.

Диаграмма состояния (phase equilibrium diagram, equilibrium, diagram, constitutional diagram) – диаграмма, показывающая равновесное фазовое состояние сплавов при разных температурах (давлениях) в зависимости от их концентрации или графическое изображение соотношения между параметрами состояния термодинамически равновесной системы (температурой, химическим и фазовым составом).

Зерно (grain) – отдельные кристаллиты поликристаллического конгломерата, разделенные между собой границами.

Зональная ликвация (zonal liquation) – ликвация в отдельных частях слитка или изделия.

Инконгруэнтно плавящиеся фазы (incongruently fusil phases) – промежуточные фазы, при плавлении которых состав образующейся жидкой фазы отличается от состава твердой фазы.

Интерметаллид (metallide) – химическое соединение двух или более металлов между собой; обычно имеет широкую область гомогенности.

Квазистатические (равновесные) процессы (infinitesimal equilibrium processes) – процессы, которые протекают при бесконечно малых отклонениях.

Компоненты (components) – это химические индивиды, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз термодинамической системы.

Компонент (component) – чистый химический элемент или устойчивое химическое соединение, входящие в состав сплава.

Конгруэнтно плавящиеся фазы (congruently fusil phases) – промежуточные фазы, при плавлении которых составы твердой и жидкой фаз совпадают.

Конода – связующая прямая, соединяющая сопряженные точки, изображающие составы равновесных фаз, или линия, соединяющая составы фаз, находящихся в равновесии, или линия на диаграмме состояния между двумя нодами, соответствующая постоянным внешним условиям (температура, давление) сосуществования фаз и позволяющая определить состав каждой из фаз и их количественное соотношение в данном сплаве.

Концентрация (concentrate) – количество вещества, содержащееся в единице массы или объема сплава.

Кривая нагрева (охлаждения) (heating/cooling curve) – график, характеризующий увеличение (уменьшение) температуры от времени.

Кристаллизация (crystallization) – процесс образования кристаллов из жидкого, газообразного и твердого состояний.

Критические точки (critical (thermal) points) – точки, соответствующие изменению фазового состояния в сплаве.

Ликвация (liquation) – неоднородность сплава по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям, образующаяся при кристаллизации слитка.

Ликвидус (liquidus) – геометрическое место точек температур начала кристаллизации всех сплавов системы или графическое изображение на диаграмме состояния (точка, линия или поверхность) зависимости температур начала кристаллизации (или завершения расплавления) от химического состава сплава.

Макроструктура (macrostructure) – строение металлов и сплавов, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы на шлифованных и протравленных образцах.

Метастабильная фаза (metastable phase) – промежуточная, относительно устойчивая фаза, которая может перейти в более устойчивую под действием внешнего воздействия или самопроизвольно.

Микроструктура (microstructure) – строение металлов и сплавов, выявляемое с помощью микроскопа на шлифованных и протравленных образцах (в оптическом и растровом электронных микроскопах), или на репликах и фольгах (в просвечивающем электронном микроскопе).

Монотектическое превращение (monotectic transformation) – процесс превращения жидкой фазы в две новые: твердую и жидкую, отличающуюся от исходной составом; в равновесных условиях происходит при постоянной температуре.

Неограниченный твердый раствор (unlimited solid solution) – твердый раствор замещения между двумя или более компонентами, неограниченно растворимыми в твердом состоянии.

Нода – точка, определяющая состав фазы на диаграмме состояния.

Нонвариантное (безвариантное) равновесие (nonvariant equillibrium) – равновесие, при котором сплав из данного числа фаз может существовать только в совершенно определенных условиях: при постоянной температуре и определенном составе всех находящихся в равновесии фаз. Это означает, что превращение начинается и заканчивается при одной постоянной температуре.

Область несмешиваемости (miscibility gap) – область на диаграмме состояния, в которой происходит расслаивание растворов металлических сплавов.

Ограниченный твердый раствор (limited solid solution) – твердый раствор между двумя или более компонентами, существующий до определенной, ограниченной концентрации компонентов.

Ордината сплава – вертикальная прямая, проходящая через точку состава сплава.

Пересыщенный твердый раствор (supersaturated solid solution) – раствор, в котором концентрация растворенного элемента больше равновесной для данной температуры.

Перитектика – смесь двух фаз, образовавшихся в результате перитектического превращения.

Перитектическое превращение (перитектическая реакция) (peritectic transformation/ reaction) – процесс взаимодействия кристаллов твердого раствора с жидкостью, происходящий при постоянной температуре и постоянной концентрации фаз, приводящий к образованию кристаллов другого твердого раствора.

Перитектическое превращение (peritectic transformation) – процесс образования твердой фазы в результате взаимодействия жидкой и другой твердой фазы, отличающейся от новой составом и структурой;

в равновесных условиях происходит при постоянной температуре.

Перитектоидное превращение (peritectoid transformation) – фазовое превращение в твердом состоянии при охлаждении, заключающееся в образовании одной новой фазы из двух других; полностью обратимо при нагреве.

Правило отрезков (rule of segments) (рычага) используют для определения количественного соотношения фаз, находящихся в равновесии при данной температуре. Согласно этому правилу, например, для определения массового или объемного количества твердой фазы необходимо вычислить отношение длины отрезка, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всей коноды; для определения количества жидкой фазы – отношение длины отрезка, примыкающего к составу твердой фазы, к длине коноды.

Правило фаз (правило равновесия фаз) Гиббса (rule of phase equilibrium) позволяет определить закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе, устанавливая зависимость между числом термодинамических степеней свободы (С), числом компонентов (К), образующих систему, и числом фаз (Ф), находящихся в равновесии:

где 2 – число внешних факторов. При изучении физико-химических равновесий за внешние факторы, влияющие на состояние сплава, принимают температуру и давление. Применяя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор – температуру, т. к. давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях. Тогда уравнение примет следующий вид:

Промежуточные фазы (intermediate phases) – твердые фазы, которые образуются в интервале концентраций между граничными твердыми растворами на основе компонентов. От граничных растворов на диаграмме состояния промежуточные фазы всегда отделены двухфазными областями.

Промежуточные фазы переменного состава (intermediate phases of variable composition) – это фазы, имеющие сравнительно широкие области гомогенности. Могут представлять собой твердые растворы на базе определенных химических соединений или растворы на базе несуществующих полиморфных модификаций одного из компонентов, которые оказываются устойчивыми из-за концентрационного полиморфного превращения.

Промежуточные фазы постоянного состава (intermediate phases of fixed composition) – это определенные химические соединения компонентов, для которых характерны очень узкие (практически отсутствующие) области гомогенности. На диаграмме состояния эти области изображаются вертикальными прямыми (ординатами).

Равновесное состояние термодинамической системы (state of equilibrium of thermodynamic system) характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью термодинамических параметров во времени и отсутствием в системе потоков энергии и вещества.

Раствор (solution) – однородная смесь двух или большего числа компонентов, равномерно распределенных в виде атомов, ионов или молекул в жидкости или твердом веществе.

Солидус (solidus) – геометрическое место точек температур конца кристаллизации всех сплавов системы.

Сольвус (solvus line, solvus) – линия ограниченной растворимости в твердом состоянии на диаграмме состояния.

Сплавы – однородные системы из двух или более элементов, претерпевающие переход из жидкого состояния в твердое агрегатное состояние и обладающие характерными металлическими свойствами.

Стабильная фаза (stable phase) – фаза, устойчивая в данных условиях.

Структура (structure) – собирательное название характеристик макроскопического и микроскопического строения вещества.

Структурная составляющая (structural component) – элемент микроструктуры сплава с характерным и однообразным строением, а также отдельные элементы микроструктуры сплава с характерным строением при средних увеличениях.

Твердый раствор (solid solution) – однородные твердые вещества, состоящие из нескольких компонентов, концентрация которых может быть изменена без нарушения однородности, или однофазное твердое состояние сплава, представляющее собой кристаллическую решетку растворителя, в которой находятся атомы одного или более растворенных элементов.

Твердый раствор внедрения (interstitial/introduction solid solution) – раствор между металлом и неметаллом, в котором атомы неметалла располагаются в междоузлиях атомов металлов.

Твердый раствор замещения (substitutional solid solution) – раствор между двумя или более металлами, в котором атом одного компонента занимает место любого атома в кристаллической решетке второго компонента.

Темп кристаллизации (rate of crystalline growth) характеризует увеличение в сплаве количества кристаллов при понижении температуры, т. е. скорость кристаллизации по температуре dm /dt, где m – масса выпадающих кристаллов, t – температура.

Термодинамическая система (thermodynamic system) – это отделенная от внешней среды реальными или воображаемыми границами и заполненная веществом часть пространства, внутри которой между составляющими систему материальными объектами возможен обмен энергией и веществом.

Термодинамические степени свободы (thermodynamic degree of freedom) – это термодинамические параметры равновесной системы (температура, давление и концентрация), которым можно придавать произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не появлялись новые и не исчезали старые фазы.

Фаза (phase) – это совокупность тождественных по химическому составу гомогенных частей термодинамической системы, одинаковых по всем свойствам, не зависящих от массы, или однородная часть гетерогенной системы с собственным химическим составом, строением, свойствами, отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Под фазами термодинамической системы понимают такие части гетерогенной системы, которые имеют одинаковое строение и в стабильном состоянии – одинаковый состав.

Фазовое, или гетерогенное, равновесие (phase or heterogeneous equilibrium) – это равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из двух или большего числа фаз.

Фазовое превращение (phase transformation) – превращение, при котором происходит изменение фазового состояния системы.

Шлиф (polished surface of metal/mineral section) – полированная поверхность сечения металла или минерала, подготовленная для визуального или микроскопического исследования.

Эвтектика (eutectic, eutectic mixture) – эвтектическая смесь двух или более фаз, образующаяся из расплава при эвтектической температуре.

Эвтектическое превращение (eutectic transformation) – превращение, происходящее при постоянной температуре и неизменных составах участвующих фаз, одной из которых является жидкость или процесс образования двух или более твердых фаз из жидкой; в равновесных условиях происходит при постоянной температуре.

Эвтектоид (eutectoid, eutectoid mixture) – эвтектоидная смесь фаз, образующаяся из твердого раствора в результате его распада при эвтектоидной температуре.

Эвтектоидное превращение (eutectoid transformation) – превращение, происходящее при постоянной температуре и неизменных составах участвующих фаз, находящихся в твердом состоянии, или полиморфное превращение, заключающееся в распаде при охлаждении равновесного твердого раствора на две стабильные фазы; характеризуется температурой эвтектоидного превращения, при которой все три фазы находятся в равновесии; полностью обратимо при нагреве.

Глава 2. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ 2.1. Основные теоретические сведения Несмотря на то, что железоуглеродистые сплавы – сталь и чугун, как правило, содержат некоторые примеси (кремний, марганец, серу, фосфор, кислород, азот и др.), т. е. практически являются многокомпонентными, однако основными составляющими, определяющими структуру и свойства, являются железо и углерод и условно их можно рассматривать как двойные. Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Поэтому среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы железо – цементит (Fe – Fe3C), которая показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых сплавов.

2.1.1. Компоненты в сплавах железа с углеродом Железо. Железо находится в периодической системе Д. И. Менделеева в IV периоде, в восьмой группе (порядковый номер 26).

Температура плавления чистого железа равна 1539 °С, кипения – 3200 °С. Плотность – 7,874 г/см3, атомный вес – 55,85. Железо имеет две полиморфные модификации и. Кристаллическая решетка Fe – ОЦК (объемноцентрированная кубическая); Fe – ГЦК (гранецентрированная кубическая). Полиморфное превращение сопровождается изменением объема, поскольку переход Fe Fe cвязан с уменьшением компактности решетки. Различие объемов составляет около 1 %.

Углерод является вторым основным компонентом железоуглеродистых сплавов. Углерод неметаллический элемент периода, четвертой группы. Он занимает шестое место в периодической системе Д. И. Менделеева. Обладает относительно малой плотностью 2,3 г/см 3, температура плавления около 3500 °С. Углерод полиморфен. В обычных условиях углерод находится в виде графита с гексагональной слоистой решеткой. Метастабильная модификация углерода (алмаз) имеет кубическую решетку.

Диаграмма состояния железо-углерод должна, очевидно, охватывать все сплавы от 0 до 100 % углерода. Однако, как правило, приводится небольшой участок системы от железа до ближайшего химического соединения Fe3C. Это обусловлено тем, что практически применяются сплавы железа с углеродом с содержанием углерода не более 5 %.

2.1.2. Фазы в сплавах железа с углеродом В сплавах системы Fe – Fe3C встречаются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы на основе различных кристаллических модификаций железа, химическое соединение карбид железа Fe3C (цементит). На рис. 2.1 представлена диаграмма состояния железоцементит в фазовом виде (упрощенный вид).

Жидкая фаза представляет собой неограниченный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус АСD – от 0 до 6,67 %С.

Рис.2.1. Фазовая диаграмма системы железо – цементит Твердые растворы. В данной системе имеются твердые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они являются твердыми растворами внедрения, т. е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях.

Твердый раствор углерода в -железе называется ферритом (обозначают Ф). В феррите сохраняется кристаллическая решетка железа – объемно-центрированный куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG. Максимальная растворимость углерода в нем не более 0,025 % при температуре 727 °С Твердость феррита около 80–100 НВ, предел прочности в300 МПа;

относительное удлинение до 40 %, а поперечное сужение до 70 %.

До температуры 768 °С феррит ферромагнитен, выше – парамагнитен.

Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в -железе с гранецентрированной кубической решеткой, который называется аустенитом (обозначается А). В аустените предел растворимости углерода достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. Твердость его равна 170–200 НВ.

Аустенит обладает малой склонностью к хрупкому разрушению.

Цементит (обозначают Ц) – карбид железа Fe3C (химическое соединение железа с углеродом) содержит 6,67 % С, обладает сложной ромбической решеткой. В решетке цементита реализуются связи как ковалентные, так и металлического типа. Цементит имеет высокую твердость (800 НВ). Температура плавления цементита при нагреве лазерным лучом равна 1260 °С.

Все линии делят поле диаграммы на области равновесного нахождения фаз: линия ликвидус – начало затвердения при охлаждении или конец плавления при нагревании; линия солидус – конец затвердевания при охлаждении и начало плавления при нагревании;

линии превращения в твердом состоянии.

В табл. 2.1 приведены основные характеристики линий диаграммы.

PQ 727–комн. 0,025–0,0002 Линия выделения третичного цементита Концентрация углерода в характерных точках диаграммы приводится в табл. 2.2.

Q Комнатная 0,0002 Предельное содержание углерода в феррите при комнатной температуре 2.1.4. Горизонтальные линии диаграммы Fe – Fe 3 C В системе железо – цементит происходят изотермические превращения: эвтектическое и эвтектоидное.

В табл. 2.3 приведены линии изотермических превращений.

Принято температуры равновесных превращений, совершающихся в железе и в сталях в твердом состоянии, обозначать буквой А с соответствующим индексом.

Эвтектоидную температуру (линия PSK) обозначают А1, температуру магнитного превращения (линия МО) – А2, температуру линии GS – А3, температуру линии SE – Аcm.

Вследствие гистерезиса, температуры превращений при нагреве всегда выше соответствующих температур при охлаждении, поэтому введена дополнительная индексация: при нагреве – индекс с, при охлаждении – индекс r.

Сталями называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %. Сплавы с большим содержанием углерода (2,14 до 6,67 %) называются чугунами. Границей между сталями и чугунами принято считать проекцию точки Е, т. е. точки максимального насыщения аустенита углеродом, от которой начинается линия эвтектического равновесия. В результате первичной кристаллизации стали образуется аустенит (линия АЕ).

В отличии от сталей структура чугуна характеризуется наличием эвтектики, которая состоит из аустенита и цементита.

Первичная кристаллизация стали. На рис. 2.2 показан верхний участок упрощенной диаграммы Fe – Fe3C.

В сталях из жидкой фазы кристаллизуется аустенит. Состав жидкой фазы меняется по проекции линии АС на ось концентраций, твердой фазы по проекции линии АЕ.

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.

Рис. 2.2. Верхний левый участок упрощенной диаграммы состояния а) первичная кристаллизация сплавов до 2,14 % С (сталей); б) кривая 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. Распад аустенита при эвтектоидном превращении проходит с образованием феррита и цементита при переохлаждении ниже 727 °С:

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом (обозначается П).

Рассмотрим структурообразование нескольких групп сплавов. На рис. 2.3 приведена левая нижняя часть диаграммы состояния железоцементит с кривыми охлаждения типичных сплавов и микроструктурой.

Техническое железо (сплавы, содержание углерода в которых не превышает 0,0002 % – на примере сплава I). До температуры несколько ниже t3 (линия GS) аустенит охлаждается без изменения состава. В интервале t3 – t4 происходит полиморфное АФ превращение. На стыках и границах зерен аустенита возникают зародыши феррита, которые растут и развиваются за счет атомов аустенитной фазы. Ниже температуры t4 сплав состоит из однородного -твердого раствора – феррита. При дальнейшем охлаждении никаких превращений не происходит (рис. 2.3, б).

Техническое железо (сплавы с содержанием углерода от 0, до 0,025% (сплав II рис. 2.3, в). Так же как и в предыдущем сплаве в интервале температур t5 – t6 происходит полиморфное АФ превращение. Ниже t6 в сплаве имеется ферритная фаза. Однако ниже температуры t7 изменение состава феррита, согласно предельной растворимости углерода в феррите по линии РQ, приводит к образованию более высокоуглеродистой фазы, цементита. Этот цементит называется третичным. Как правило, третичный цементит располагается по границам ферритных зерен (рис. 2.3, в). Максимальное количество третичного цементита составляет около 0,3 %.

Сталь эвтектоидного состава – содержание углерода 0,8 % (рис. 2.3, д, сплав IV).

В этом случае при охлаждении аустенита имеется только одна критическая точка А1, отвечающая температуре 727 °С. При этой температуре аустенит находится в равновесии с ферритом и цементитом:

Эвтектоидный распад аустенита состава точки S (0,8 %С) на феррит состава точки Р (0,025 %С) и цементит происходит при некотором переохлаждении, т. е. ниже 727 °С. Эвтектоидная смесь феррита с цементитом называется перлитом. Соотношение феррита и цементита в перлите составляет примерно 7,3 : 1.

Доэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % называются доэвтектоидными сталями. Рассмотрим фазовые и структурные изменения доэвтектоидной стали на примере сплава Ш (рис. 2.3, г). В интервале температур t8–727 °C идет полиморфное превращение АФ. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита – по линии GP. При 727 °С концентрация углерода в аустените равна 0,8 % (точка S) и в феррите – 0,025 % (точка Р).

Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом.

Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот, чем меньше углерода, тем больше феррита и меньше перлита. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре обнаружить его при наличии перлита невозможно.

Заэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % называются заэвтектоидными. Процессы структурообразования рассмотрим на примере сплава V (рис. 2.3, е). До температуры t10 (линия ES) аустенит охлаждается без изменения состава. Несколько ниже этой температуры аустенит достигает предельного насыщения углеродом согласно линии растворимости углерода в аустените ЕS. В интервале температур t10 727 °C из пересыщенного аустенита выделяется высокоуглеродистая фаза – цементит, который называется вторичным. Состав аустенита меняется по линии ЕS и при температуре 727 °С достигает точки S (0,8 % С).

Ниже 727 °С происходит эвтектоидное превращение: аустенит состава точки S (0,8 % С) распадается на смесь феррита состава точки Р (0,025 % С) и цементита. Таким образом, структура заэвтектоидной стали характеризуется зернами перлита и вторичного цементита. При медленном охлаждении цементит, как правило, располагается в виде тонкой оболочки вокруг перлитных зерен.

Чугуны. Все превращения в белых чугунах, начиная от затвердевания и до комнатных температур, полностью проходят по метастабильной диаграмме Fe – Fe3C. Наличие цементита придает излому светлый блестящий цвет, что привело к термину “белый чугун”. Независимо от состава сплава обязательной структурной составляющей белого чугуна является цементитная эвтектика (ледебурит). На рис. 2.4 изображена структурная диаграмма равновесия железо – цементит и кривые охлаждения типичных сплавов.

Эвтектический белый чугун. Рассмотрим процессы затвердевания, формирования первичной структуры и дальнейших структурных превращений в твердом состоянии сплава эвтектического состава с 4,3 % С (сплав I, рис. 2.4).

Затвердевание происходит в один этап при температуре ниже 1147 °С. Жидкая фаза с 4,3 % С образует эвтектическую структуру:

смесь аустенита с 2,14 % С и цементита. Эта эвтектика называется ледебуритом. При эвтектической реакции содержание углерода в аустените максимально (2,14 %).

Превращения в твердом состоянии. Окончательное формирование структуры стали происходит в результате превращений аустенита при дальнейшем охлаждении.

Дальнейшее охлаждение от температуры 1147 °С до 727 °С приводит к непрерывному уменьшению в нем углерода согласно линии ограниченной растворимости ЕS. Углерод выделяется из аустенита в виде цементита, который называется вторичным цементитом (ЦII.).

Однако он, как правило, не обнаруживается, т. к. присоединяется к эвтектическому цементиту. Ниже температуры 727 °С аустенит эвтектики состава (0,8 % С) претерпевает эвтектоидное превращение т. е. образуется перлит.

Таким образом, ниже 727 °С ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. Такой ледебурит называется превращенным.

При охлаждении до комнатной температуры в результате изменения растворимости углерода в феррите (линия РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре он не обнаруживается. На рис. 2.4, б показана структура белого чугуна эвтектического состава. Она представляет собой одну эвтектику – ледебурит. Темные участки (зернышки и пластинки) отвечают перлитным включениям, равномерно распределенным на светлом фоне цементита.

Доэвтектические белые чугуны. Железоуглеродистые сплавы состава 2,14–4,3 % С называются доэвтектическими белыми чугунами.

Рассмотрим процесс кристаллизации и вторичных превращений на примере сплава П (рис.2.4, в). От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147 °С из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией. Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой – по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147 °С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 % С), а аустенита – точки Е (2,14 % С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита – ледебурит 1147 °С.

Рис. 2.3. Левый нижний участок диаграммы состояния железо – цементит:

а) – диаграмма, б), в), г), д), е) – кривые охлаждения сплавов Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727 °С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (ЦII.). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.

Рис.2.4. Диаграмма состояния железо – цементит (структурная) и кристаллизация а) – диаграмма, б), в), г) – кривые охлаждения сплавов со схемами микроструктур при нормальной температуре Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.

Ниже 727 °С весь аустенит – и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики, претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура доэвтектического белого чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита, и цементитом вторичным. Структура реального доэвтектического белого чугуна изображена на рис. 2.4, в. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики – ледебурита.

Заэвтектический белый чугун. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % (сплав Ш) называются заэвтектическими белыми чугунами. Кристаллизация начинается при температуре t4 несколько ниже линии СD выпадением цементита, который называется цементитом первичным (ЦI.). Состав жидкой фазы меняется по линии СD, твердая – остается без изменения. При температуре 1147 °С заканчивается кристаллизация избыточных кристаллов ЦI.. Жидкость состава точки С (4,3 %С), согласно эвтектической реакции, образует ледебурит. При дальнейшем охлаждении изменение состава аустенита по линии ЕS приводит к выделению цементита вторичного (ЦII.), который присоединяется к эвтектическому.

Температура 727 °С является температурой эвтектоидного равновесия аустенита, феррита и цементита. Ниже этой температуры аустенит превращается в перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура заэвтектического белого чугуна характеризуется избыточными кристаллами цементита первичного (белые пластины) и превращенным ледебуритом, состоящим из темных полосок или зернышек перлита и светлой основы – цементита. На рис. 2.4, г изображена кривая охлаждения и структура белого заэвтектического чугуна.

В таблице 2.4 приведены исходные данные для выполнения расчетно-графического задания, указана массовая доля углерода (колонка 2, табл. 2.4).

1. В соответствии с номером Вашего варианта выписать из табл. 2. массовую долю углерода контрольного сплава.

2. На листе формата А4 вычертить диаграмму состояния Fe – Fe3C (рис. 2.4, а). Обозначить структурные составляющие во всех областях диаграммы.

3. Нанести на диаграмму линию контрольного сплава, обозначить критические точки.

4. Построить кривую охлаждения контрольного сплава. Дать подробное описание его микроструктуры при медленном охлаждении.

Привести необходимые реакции.

5. Указать к какой группе железоуглеродистых сплавов он относится, по возможности привести марку рассмотренного сплава, его применение.

6. Схематически изобразить микроструктуру сплава при комнатной температуре. На рисунке отметить структурные составляющие.

варианта % (по массе) варианта % (по массе) варианта % (по массе) 2.2.3. Контрольные вопросы для защиты задания 1. Какое превращение происходит в железоуглеродистых сплавах при температуре 1147 °С?

2. Какое превращение происходит в железоуглеродистых сплавах при температуре 727 °С?

3. Какой фазовый состав имеют стали по завершению процесса первичной кристаллизации?

4. Какой фазовый состав имеют стали при комнатной температуре?

5. Чем отличается ледебурит от ледебурита превращенного?

6. Чем отличаются структурные составляющие “цементит первичный”, “цементит вторичный”, “цементит третичный”?

7. Назовите все характерные точки диаграммы и их общепринятые международные обозначения.

8. Каким образом отличаются обозначения критических точек при нагреве и охлаждении?

9. Назовите стабильную и метастабильную модификации углерода.

10. Назовите характеристики точек и линий диаграммы.

11. Что называют перлитом?

12. Что называют ледебуритом?

13. Что называют аустенитом?

14. Что называют ферритом?

15. Чем отличаются превращения в твердом состоянии у доэвтектоидной и заэвтектоидной стали?

16. Какая фаза первично кристаллизуется в заэвтектических белых чугунах?

17. Изобразите фазовую диаграмму железо-цементит.

18. Как называется чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида?

19. Какая фаза первично кристаллизуется в доэвтектических белых чугунах?

20. Какой сплав называют техническим железом?

2.3. Информационно-справочные данные Аллотропия (allotropy) – свойство некоторых химических элементов существовать в виде двух или более простых веществ, различных по своему строению и свойствам.

Аустенит (austenite) – фаза, структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – твердый раствор углерода в -железе.

Графит (graphite) – аллотропическая модификация углерода с гексагональной кристаллической решеткой.

Железо (iron) – химический элемент, Fe, с атомной массой 55,84;

относится к группе черных металлов, tпл 1539 °С; важнейший металл современной техники, основа сплавов примерно 95 % металлической продукции.

-железо – низкотемпературная аллотропическая модификация железа с О.Ц.К. решеткой, существующая в чистом железе в интервале температур от 0 до 911°С.

-железо – высокотемпературная аллотропическая модификация железа с Г.Ц.К. решеткой, существующая в чистом железе в интервале температур от 911 до 1392°С.

-железо высокотемпературная аллотропическая модификация железа с О.Ц.К. решеткой, существующая в чистом железе в интервале температур от 1392°С до плавления.

Ледебурит (ledeburite) – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов (главным образом чугунов) – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся из расплава при температуре ниже 1147 °С.

Перлит (pearlite) – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – эвтектоидная смесь феррита и цементита, имеющая межпластиночное расстояние более 0,3 мкм.

Полиморфизм (polymorphism) – свойство некоторых веществ существовать в нескольких кристаллических состояниях с разной структурой.

Сталь (steel) – сплав железа с углеродом, содержащий от 0,025 до 2,14 % углерода, а также ряд других элементов.

Высококачественная сталь (extrafine steel) – сталь, с низким содержанием вредных примесей (обычно фосфора не более 0,025 % и серы не более 0,025 %), обладающая повышенными механическими свойствами.

Высокоуглеродистая сталь (high-carbon steel) – сталь, содержащая более 0,6 % углерода.

Углеродистая сталь (carbon steel) – сталь, не содержащая специально введенных легирующих элементов.

Углерод (carbon) – химический элемент (С) с атомной массой 12;

имеет две аллотропические модификации. Входит в состав стали и чугуна.

Феррит (ferrite) – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – твердый раствор углерода (до 0,025 %) в -железе.

Цементит (cementite) – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – карбид железа, Fe3C, содержащий 6,67 % С.

Вторичный цементит (secondary cementite) – цементит, образующийся из аустенита при охлаждении вследствие понижения растворимости в нем углерода.

Первичный цементит (primary cementite) – цементит, образующийся в заэвтектических чугунах при кристаллизации их из расплава.

Критическая точка (температура) (critical (thermal) point) – температура начала или конца фазового превращения в сплаве; может быть определена из диаграммы состояния элементов, входящих в состав сплава.

Критическая точка А1 – температура в равновесной системе Fe – Fe3C, при которой протекает превращение перлит аустенит.

Критическая точка А2 – температура, соответствующая точке Кюри феррита.

Критическая точка А3 – температура в равновесной системе Fe – Fe3C, выше которой в доэвтектоидных сталях присутствует одна фаза – аустенит.

Критическая точка Ас – температура в равновесной системе Fe – Fe3C, при которой фазовое превращение протекает в процессе нагрева.

Критическая точка Аcm – температура в равновесной системе Fe – Fe3C, выше которой в заэвтектоидных сталях присутствует одна фаза – аустенит.

Критическая точка Аr – температура в равновесной системе Fe – Fe3C, при которой фазовое превращение протекает в процессе охлаждения.

Третичный цементит (tertiary cementite) – цементит, образующийся из феррита при охлаждении вследствие понижения растворимости в нем углерода.

Чугун (cast iron) – сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % углерода, постоянные примеси, а иногда и легирующие элементы.

Белый чугун (white cast iron) – чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита; имеет матово-белый цвет излома.

Доэвтектический чугун (hypoeutectic cast iron) – чугун, углеродный эквивалент которого ниже 4,3 %.

Заэвтектический чугун (hypereutectic cast iron) – чугун, углеродный эквивалент которого выше 4,3 %.

Эвтектический чугун (eutectic cast iron) – чугун, углеродный эквивалент которого составляет 4,3 %.

Глава 3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

3.1. Основные теоретические сведения Термическую обработку стали можно определить как процесс теплового воздействия на сталь, направленный на изменение ее структуры и свойств.

Режимы термической обработки сталей связаны с критическими точками, точками фазовых превращений в сталях. Температуру, соответствующую линии PSК на диаграмме состояния Fe–Fe3C, обозначают точкой А1. Температуры, соответствующие линии GS, обозначают точкой А3, а линии SE – точкой Асm.

Из-за теплового гистерезиса превращения при нагреве стали начинаются при температурах выше точек А1, А3, Асm, а при охлаждении – ниже этих точек. Для обозначения температур превращения при нагревании у буквы А внизу ставят индекс «с», а при охлаждении – «r»

(например, Аc1, Ас3, Аr1).

Структура термически обработанной стали данного состава, а следовательно и ее свойства, определяется тремя основными факторами – температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения. Любой процесс термической обработки можно изобразить в виде графика (рис. 3.1), на котором по оси ординат указывают температуру, а по оси абсцисс – время.

Рис. 3.1. График термической обработки:

tн – температура нагрева; в – время выдержки Термическую обработку можно разделить на несколько основных видов, исходя из сущности происходящих в металле процессов. Такими основными видами являются: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжигом называют процесс термической обработки, при котором сталь сначала нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают вместе с печью. В результате отжига в стали образуются равновесные структурные составляющие (см. диаграмму состояния Fe–Fe3C, рис. 2.3, а).

Различают отжиг первого и второго рода. Отжиг первого рода имеет целью снятие напряжений, осуществление рекристаллизации и гомогенизации. Применительно к углеродистым сталям отжиг для снятия напряжений производится при 400–600 °С. Рекристаллизационный отжиг осуществляется при 680–700 °С, т. е. ниже превращения Аc1. Гомогенизационный отжиг для устранения дендритной ликвации в литой стали производится в аустенитной области при температуре 1100–1200 °С в течение 10–20 ч. За это время в металле может заметно вырасти аустенитное зерно, что приводит к пониженным механическим свойствам. Поэтому после гомогенизационного отжига сталь всегда подвергают отжигу второго рода – фазовой перекристаллизации с целью измельчения аустенитного зерна.

Для отжига с полной фазовой перекристаллизацией стали (отжига второго рода) необходимо выполнить два условия.

Во-первых, необходимо нагреть сталь до такой температуры, при которой она находится в аустенитном состоянии, и выдержать при этой температуре до полной аустенизации.

Во-вторых, необходимо охладить сталь с относительно небольшой скоростью, чтобы произошло фазовое превращение с образованием из аустенита феррито-цементитной смеси.

Увеличивая скорость охлаждения стали, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, от которой зависят механизм и кинетика превращения, и, соответственно, структура и свойства продуктов превращения. Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость превращения представляют графически в виде диаграмм. Эти диаграммы строят в координатах температура превращения – время. На рис. 3.2 изображена диаграмма изотермического распада аустенита для эвтектоидной стали с 0,8 % С.

На этом рисунке кривая Н показывает начало распада аустенита, кривая К – его конец. По диаграмме ниже 727 °С слева от кривой Н структура стали состоит из переохлажденного аустенита Ап. Выдержка переохлажденного аустенита при температурах от 700 до 450 °С приводит к обычному распаду на эвтектоидную смесь феррита и цементита.

Рис. 3.2. Диаграмма изотермического распада аустенита Эвтекоидная смесь феррита с цементитом растет в виде колоний из отдельных центров в аустенитных зернах. Чем больше скорость охлаждения стали, тем сильнее переохлаждается аустенит ниже 727 °С, и более тонкое внутреннее строение имеют колонии эвтектоидной смеси. В зависимости от дисперсности пластинчатой ферритоцементитной смеси различают перлит, сорбит и троостит. Перлит образуется при небольших степенях переохлаждения аустенита (охлаждение с печью со скоростью в несколько градусов в минуту), и двухфазное строение его колоний хорошо видно при увеличении крат. Твердость перлита 200–250 НВ. Сорбит образуется при несколько больших степенях переохлаждения аустенита (охлаждение на воздухе со скоростью в несколько десятков градусов в минуту). Поэтому он более дисперсен и его внутреннее строение можно различить при большем увеличении. Сорбит обладает твердостью 300 НВ. Троостит (400 НВ) образуется при еще больших степенях переохлаждения аустенита (охлаждение в масле со скоростью в несколько десятков градусов в секунду). Благодаря большей дисперсности, троостит сильно растравливается, и в световой микроскоп виден сплошной темный фон шлифа.

На использовании фазовой перекристаллизации основаны разные виды отжига. Из них наиболее важен полный отжиг. Цель отжигов состоит в повышении пластических свойств металла и улучшении обрабатываемости резанием. Полному отжигу обычно подвергают доэвтектоидные стали, при этом нагрев ведут выше Ас3 на 30–50 °С, выдерживают и медленно вместе с печью охлаждают. Неполный отжиг применяется для заэвтектоидной стали, нагрев при этом ведут выше Ас1, но ниже Асcm. При этих температурах в структуре сохраняется вторичный цементит. Во время выдержки при указанных температурах происходит сфероидизация пластинчатых выделений цементита.

Обычно при отжиге второго рода сталь охлаждают медленно с печью (кривая 1 на рис. 3.2). Если после нагрева выше Ас3 или Асcm сталь охладить на спокойном воздухе, то появляющийся перлит приобретает более тонкое строение, чем после охлаждения с печью. Это приводит к повышению прочности и твердости стали. Данная разновидность термообработки называется нормализацией (кривая 3 на рис. 3.2).

Кроме скорости охлаждения, на структуру стали сильно влияет температура нагрева в аустенитной области. Чем выше температура нагрева, тем более крупным вырастает аустенитное зерно и тем крупнее получаются выделения избыточного феррита и колонии эвтектоида. Если при полном отжиге доэвтектоидную сталь сильно перегреть выше точки Аc3, то образуется характерная видманштеттова структура. Из крупных зерен аустенита образуются крупные колонии перлита, а избыточный феррит выделяется в виде ориентированных пластин. В сечении шлифа эти пластины представляют собой крупные иглы. При такой структуре сталь обладает пониженной ударной вязкостью. Поэтому при полном отжиге и нормализации температура нагрева стали не должна значительно превышать точку Ас3.

Ради экономии времени и затрат энергии сталь подвергают изотермическому отжигу, который состоит в том, что сначала сталь переводят в аустенитное состояние, а затем быстро охлаждают до температур на 50–100 град ниже Аc1 и выдерживают здесь столько времени, чтобы завершился переход переохлажденного аустенита в перлит. После этого изделие охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг позволяет получать более однородные свойства в разных участках объема металла, так как превращение везде идет примерно с одинаковой скоростью, тогда как при нормализации условия охлаждения на поверхности и в толще металла существенно различаются. Условия изотермического отжига изображены на рис. 3. линией 2.

Отжиг и нормализация чаще всего являются предварительными операциями термической обработки, осуществляемыми в целях устранения дефектов предыдущих операций (литья, ковки и др.) либо подготовки структуры для последующей обработки резанием или закалки. Нормализации – более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени затрачивается на охлаждение стали.

Рекомендуется подвергать нормализации малоуглеродистые стали, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации.

При охлаждении углеродистой стали с достаточно большой скоростью, например, в холодной воде (сотни градусов в секунду), аустенит настолько сильно переохлаждается ниже 727 °С, что не распадается на смесь двух стабильных фаз, т. к. подвижность атомов при сильном переохлаждении слишком мала.

При больших переохлаждениях в условиях малой подвижности атомов происходит бездиффузионное полиморфное превращение : аустенит – твердый раствор внедрения углерода в -Fe с ГЦК решеткой превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в -Fe. Мартенсит – совершенно новая, метастабильная фаза. Он появляется в переохлажденном аустените при 230 °С. Это отражено на диаграмме (рис. 3.2) горизонтальной линией Мн.

Растворимость углерода в -Fe при комнатной температуре в равновесных условиях мала. В мартенсите же сохраняются все то количество углерода, которое было в исходном аустените. Поэтому мартенсит является метастабильным пересыщенным раствором углерода в -Fe.

Избыточные атомы углерода делают ОЦК решетку тетрагональной.

При закалке стали нагревают до температуры получения аустенита (выше критических точек), выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем быстро охлаждают со скоростью не ниже критической. Для каждой стали существует критическая скорость закалки, под которой понимается наименьшая скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения. На рис. 3.2 указана критическая скорость закалки Vкр.

для эвтектоидной стали.

Температура нагрева стали при закалке зависит от содержания в ней углерода. Доэвтектоидные углеродистые стали повергают полной закалке, для этого их необходимо нагреть выше линии GS на 30–50 °C (рис. 3.4), выдержать до завершения аустенизации и охладить в воде.

После такой обработки структура закаленной стали будет состоять из мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема микроструктуры закаленной доэвтектоидной стали Мартенсит имеет больший объем, чем исходный аустенит, из-за чего непревращенный аустенит испытывает сильное сжатие, а пластины мартенсита располагаются по определенным кристаллографическим плоскостям. На шлифах пластины мартенсита выглядят как иглы, часто расположенные под углом 60 и 120° друг к другу. Начавшееся при 230 °С мартенситное превращение идет дальше только по мере снижения температуры. Появление новых количеств мартенсита продолжается до –80 °С. При этой температуре в структуре остается несколько процентов аустенита (Аост.). Температура – 80 °С считается концом мартенситного превращения, и на диаграмме (рис. 3.2.) это отражено горизонтальной линией Мк. Мартенсит резко отличается по свойствам от аустенита. Он ферромагнитен и очень тверд – твердость по Роквеллу HRC 65. Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворенного в нем углерода – чем больше углерода, тем выше твердость.

Закалка доэвтектоидной стали с температуры выше линии PS, но ниже GS (рис. 3.4), называется неполной. В этом случае при нагреве в стали, кроме аустенита, находится также избыточный феррит. При закалке аустенит переходит в мартенсит, а феррит остается в виде мягких светлых включений на фоне мартенсита. Неполная закалка доэвтектоидной стали – это, как правило, брак термической обработки.

Рис. 3.4. Фрагмент диаграммы состояния Fe – Fe3C (заштрихован оптимальный интервал температур закалки) Заэвтектоидные стали нагревают выше Аc1 с тем, чтобы сохранить в структуре твердые включения вторичного цементита, которые за время выдержки успевают приобрести округлую форму. Структура заэвтектоидной стали после неполной закалки состоит из мартенсита, вторичного цементита и остаточного аустенита.

Закалка очень часто производится в воду. Водные растворы едкого натра или поваренной соли обладают большей охлаждающей способностью.

Разные сорта и марки стали имеют различную закаливаемость, т. е. способность воспринимать закалку. Закаливаемость оценивается по наибольшей твердости, получаемой в результате закалки. Как уже отмечалось, стали, содержащие менее 0,25 % С, не обладают закаливаемостью. С ростом содержания углерода закаливаемость быстро растет, достигает наибольшей величины при 0,8 % С и затем почти не меняется.

Важнейшим свойством стали является прокаливаемость, способность стали закаливаться на определенную глубину.

Простейший вид закалки – закалка в одной среде (режим 4, рис. 3.2).

Недостаток этого способа заключается в возникновении больших напряжений в изделии из-за высокой скорости охлаждения. Закалка в двух средах (режим 5, рис. 3.2) осуществляется путем погружения изделия вначале в воду, а затем в масло. Первоначальное охлаждение в воде позволяет быстро пройти область наименьшей устойчивости аустенита и достичь температур, при которых он более устойчив. Дальнейшее более замедленное охлаждение в масле позволяет несколько выровнять перепад температур по сечению изделия. При этом виде закалки требуется очень точно выбрать время смены закалочных сред.

Ступенчатая закалка (режим 6, рис. 3.2) состоит в том, что нагретое изделие быстро помещают в среду, имеющую температуру 200–250 °С, т. е. на 30–50 градусов выше точки начала появления мартенсита, и выдерживают некоторое время для выравнивания температуры во всем объеме. Охлаждающей средой служат расплавы селитры и щелочей. Затем изделие извлекают из соляной ванны и охлаждают на воздухе, при этом происходит образование мартенсита. В начале охлаждения до образования мартенсита сталь сохраняет аустенитную структуру и поэтому возможна правка покоробившихся изделий. Способ ступенчатой закалки применим лишь для небольших по размеру изделий, так как во внутренних слоях, где охлаждение идет с меньшей скоростью, может произойти обычный распад аустенита с образованием троостита или сорбита.

Изотермическая закалка осуществляется по режиму 7 на рис. 3.2.

Ее также проводят в соляной ванне, имеющей температуру 250–300 °С.

Изотермическая закалка позволяет получать сталь с меньшей твердостью, чем после обычной закалки, но с большей вязкостью.

Закалка с самоотпуском заключается в том, что изделие извлекают из охлаждающей среды прежде, чем температура в средних слоях достигла 400–500 °С. Наружные слои в это время успевают охладиться до 150–200 °С. В извлеченном из охлаждающей среды изделии за счет тепла центральных слоев наружные слои, где успел появиться мартенсит, прогреваются до 300–400°С и в них происходит отпуск мартенсита. В результате изделие приобретает твердую корку с вязкой сердцевиной. Для закалки с самоотпуском решающее значение имеет определение температуры поверхности по цветам побежалости, появляющимся на чистой поверхность из-за возникновения слоя окислов разной толщины. Желтый цвет соответствует 220–240, оранжевый 240–260, красно-фиолетовый 260–280, синий 280–300 °С.

Поверхностная закалка проводится путем нагрева поверхностных слоев изделия на глубину 2–3 мм и соответствующего охлаждения. Нагрев осуществляется в индукторе токами высокой частоты. Таким образом обрабатывают шейки стальных коленчатых валов, шестерни. Нагрев поверхности больших изделий осуществляется с помощью газовых или керосиновых горелок. Поверхностная закалка позволяет получить структуру мартенсита в поверхностном слое до 2–4 мм.

Структура и свойства сердцевины изделия при этом не меняются, они определяются предварительной общей термообработкой всего изделия.

Обработка холодом была предложена русским металловедом А.П.

Гуляевым. По рис. 3.2 видно, что окончание мартенситного превращения происходит при –80 °С. Следовательно, при обычном охлаждении до комнатной температуры в структуре остается некоторое количество аустенита. Это значит, что не достигается наибольшее возможное значение твердости. Кроме того, остаточный аустенит с течением времени может постепенно превращаться в бейнит. Из-за этого возможно изменение размеров готовых изделий. Следовательно, для ответственных деталей прецизионного оборудования, шарикоподшипников, высокоточного мерительного инструмента и т.п. желательно наиболее полно перевести аустенит в мартенсит. Это достигается охлаждением до температуры Мк. Важно, чтобы охлаждение после обычной закалки происходило как можно быстрее, иначе сохранившийся аустенит становится устойчивым и не столь полно превращается в мартенсит.

Вслед за закалкой стальные изделия обычно подвергают отпуску, поскольку в закаленном состоянии сталь слишком тверда и хрупка и находится в напряженном состоянии.

При отпуске закаленную на мартенсит сталь нагревают до температуры ниже 727 °С. Основное превращение при отпуске стали – распад мартенсита. При нагреве до 100°С происходит собирание атомов углерода в отдельных участках решетки мартенсита. Затем в интервале 100–200 °С наблюдается образование промежуточного карбида железа, отличного от устойчивого карбида Fe3C. При 150–250 °С тетрагональная ячейка мартенсита становится кубической. Выше 200 °С начинается образование частиц Fe3C, которые затем постепенно укрупняются и сфероидизируются. Остаточный аустенит интенсивно распадается при 200–300 °С на феррит и промежуточные карбиды.

После нагрева ниже 300 °С видимых изменений структуры не наблюдается. Отпуск при 300–450 °С приводит к исчезновению мартенсита и появлению игольчатого троостита, в котором полностью обособляются частицы цементита. Выше 400 °С наблюдается укрупнение частиц цементита. Карбид образуется в пределах исходных мартенситных игл. Поэтому микроструктура отпущенной стали сохраняет игольчатый характер и похожа на мартенсит. Этим двухфазная феррито-карбидная смесь, получающаяся при распаде мартенсита, отличается от феррито-цементитной смеси, образующийся при распаде переохлажденного аустенита. Нагрев до 500–600 °С приводит к образованию сорбита отпуска, в котором частицы цементита приобретают округлую форму. Перечисленные изменения структуры сопровождаются соответствующими изменениями механических свойств.

На практике применяют низкотемпературный (150–250 °С), среднетемпературный (350–450 °С) и высокий (500–650 °С) отпуск.

Структуру, получающуюся при низком отпуске стали, называют отпущенным мартенситом: она отличается от мартенсита закалки большей травимостью из-за дисперсных выделений карбида. После среднего отпуска обнаруживается особенно сильно травящаяся игольчатая структура, которую называют трооститом отпуска. Сильная травимость троостита отпуска обусловлена высокой дисперсностью этой двухфазной смеси. При высоком отпуске получается сорбит отпуска. Цементит в нем находится в виде сферических частиц.

Двухфазное строение сорбита отпуска отчетливо выявляется при небольших увеличениях.

Низкий отпуск иногда вызывает прирост твердости HRC на 1–2 в результате распада остаточного аустенита. Низкотемпературный отпуск применяют для инструментальных сталей, изделий после цементации и поверхностной закалки.

Рис. 3.5. Схемы микроструктур углеродистых сталей после разных видов отпуска:

а) мартенсит отпуска; б) троостит отпуска; в) сорбит отпуска Среднему отпуску подвергают пружинную и рессорную сталь и получают структуру троостита с твердостью HRC 40–45 при достаточной вязкости. При высоком отпуске при соответствующей выдержке в структуре образуется зернистый сорбит. Высокий отпуск после закалки проводят для деталей, испытывающих при работе знакопеременные и ударные нагрузки. Закалку с высоким отпуском называют также улучшением.

Температуры критических точек при нагреве сталей и их Углеродистые рессорно-пружинные стали В табл. 3.2 приведены исходные данные для выполнения третьего домашнего задания.

1. Описать процесс предварительной термической обработки заготовки перед механической обработкой с указанием температурных режимов, графиков термической обработки (рис. 3.1) и изображением микроструктуры заготовки до и после предварительной термической обработки.

2. Описать процесс термической обработки заданной детали для придания ей оптимальных эксплуатационных свойств.

3. Представить графики заключительной термической обработки (рис. 3.1) и указать на них температуры термической обработки и вид охлаждения.

4. Схематически изобразить микроструктуру детали на разных этапах термической обработки.

1. В каких координатах представляют графики термической обработки?

2. При какой температуре отпуска образуется в закаленной стали структура сорбит отпуска?

3. От чего зависит закаливаемость стали?

4. От чего зависит прокаливаемость стали?

5. Какие стали практически не закаливаются?

6. Как обозначается критическая точка превращения аустенита в перлит?

7. Какая структура формируется из аустенита при малых степенях его переохлаждения?

8. Какой вид отжига назначают для устранения дендритной ликвации слитков стали?

9. Что называют термическим улучшением стали?

10. Какой вид термической обработки приводит сталь в равновесное состояние?

11. После закалки стали 45 получена структура “мартенсит + феррит”.

В чем причина брака?

12. Назовите закалочную среду, обеспечивающую высокую скорость охлаждения.

13. Какой термической обработке подвергают детали после цементации?

14. Как называют мельчайшую феррито-цементитную смесь?

15. От чего зависит твердость феррито-цементитной смеси?

16. Чем отличается сорбит от троостита отпуска?

17. В каких случаях отжиг целесообразно заменять нормализацией?

18. Сталь какой марки чувствительнее к закалочным напряжениям?

19. Какие стали обычно подвергают цементации?

20. В каких случаях назначают среднетемпературный отпуск детали?

3.2.4. Информационно-справочные данные Азотирование (nitriding) – ХТО с насыщением поверхностного слоя стали, чугуна и сплавов тугоплавких металлов азотом при температуре 500 – 1200 °С.

Аустенит (austenite) – фаза, структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – твердый раствор углерода, а также легирующих элементов в -железе.

Остаточный А. (retained austenite) – неустойчивый аустенит, существующий в качестве структурной составляющей в мартенситной или бейнитной структуре стали.

Переохлажденный А. (overcool austenite) – аустенит, существующий при температурах ниже температуры его термодинамической устойчивости.

Аустенизация (austenization) – процесс образования аустенита при нагреве сталей выше критических температур.

Бейнит (bainite) – структурная составляющая стали, образующаяся при промежуточном превращении аустенита и состоящая из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа.

Закалка (quenching) – термическая обработка с нагревом до температур, превышающих температуру фазовых превращений, с выдержкой и с последующим охлаждением металла или сплава со скоростью, превышающей критическую; обеспечивает получение неравновесной структуры.

Закалка в водных растворах (aqulous solution quenching) – закалка с охлаждением в водных растворах солей, кислот и щелочей, обеспечивающих интенсификацию процесса; охлаждающая способность среды зависит от состава, концентрации и температуры растворов.

Закалка в двух средах (two-medium quenching) – закалка с охлаждением в двух средах (например, через воду в масло), при которой для уменьшения закалочных напряжений используют замедленное охлаждение стали в области мартенситного превращения.

Закалка в масле, (quenching in oil) – закалка с охлаждением в минеральных маслах, обеспечивающая равномерное охлаждение изделия в широком интервале температур.

Изотермическая закалка (isothermal quenching) – закалка, при которой для уменьшения закалочных напряжений осуществляют изотермическую выдержку метастабильного аустенита, обеспечивающую получение бейнита.

Индукционная закалка (induction quenching) – поверхностная закалка с нагревом в индукторе токами высокой частоты.

Неполная закалка (incomplete quenching) – закалка доэвтектоидной стали с нагревом до температур межкритического интервала Ас1 – Ас3, не обеспечивающая полного превращения в аустенит; приводит к формированию феррито-мартенситной структуры.

Объемная закалка (volume quenching) – закалка, при которой изделие нагревают до заданной температуры по всему объему.

Поверхностная закалка (surface quenching) – закалка, при которой только поверхностный слой изделия нагревают до заданной температуры.

Полная закалка (full quenching) – закалка доэвтектоидной стали с нагревом выше критической температуры Ас3, обеспечивающая полный переход в аустенитное состояние; последующее охлаждение приводит к образованию в основном мартенситной структуры.

Закалка с обработкой холодом (subzero quenching) – закалка, сопровождаемая охлаждением до температуры ниже комнатной, обеспечивающим перевод остаточного аустенита в мартенсит.

Закалка с полиморфным превращением (polymorphous transformation quenching) – закалка, в процессе которой при охлаждении происходит мартенситное превращение.

Закалка с самоотпуском (self-tempering quenching) – закалка стали, при которой для уменьшения закалочных напряжений осуществляют вторую изотермическую выдержку метастабильного аустенита при температуре выше температуры начала мартенситного превращения; распад аустенита осуществляется при последующем медленном охлаждении в области образования мартенсита.

Ступенчатая закалка. (step quenching) – закалка стали, при которой для уменьшения закалочных напряжений осуществляют вторую изотермическую выдержку метастабильного аустенита при температуре выше температуры начала мартенситного превращения; распад аустенита осуществляется при последующем медленном охлаждении в области образования мартенсита.

Интервал межкритический (intercritical interval) – интервал температур между точкой А1 и А3 или Аcm на диаграмме Fe-Fe3C.

Квазиэвтектоид (quasi-eutectoid) – продукт эвтектоидной реакции, внешний вид которого не отличается, а состав отличен от эвтектоидного.

Коагуляция (coagulation) – процесс увеличения размеров частиц твердой фазы в металлах и сплавах при повышенных температурах.

С-образные кривые (S-like curve) – кривые, имеющие С-образную форму и характеризующие заданную степень развития некоторых процессов (фазовых превращений, коррозионного охрупчивания, растворения фаз и т. п.) в координатах “температура – время”.

Мартенсит в стали (martensite) – пересыщенный твердый раствор углерода в -железе, образующийся при закалке из аустенита.

Нормализация (normalizing) – термическая обработка стали или чугуна, заключающаяся в нагреве выше критических точек (с получением преимущественно структуры аустенита), выдержке и охлаждении на воздухе.

Отжиг (annealing) – термическая обработка с нагревом до температур, превышающих температуру фазовых или структурных превращений, с выдержкой и последующим медленным охлаждением; при этом обеспечивается получение равновесной структуры.

Отпуск (tempering) – термическая обработка стали с нагревом ниже температуры полиморфного превращения, с выдержкой и охлаждением; обеспечивает получение более равновесной структуры и оптимальное сочетание служебных свойств.

Высокий отпуск (high-temperature tempering) – отпуск с нагревом до 500–700 °С, обеспечивающий высокую конструкционную прочность стали.

Низкий отпуск (low-temperature tempering) – отпуск с нагревом до температур ниже 300 °С, обеспечивающий твердость, прочность и износостойкость стали на высоком уровне.

Средний отпуск (medium-temperature tempering) – отпуск с нагревом до 300–500 °С, обеспечивающий сочетание высокой прочности, упругости и вязкости.

Сорбит отпуска (sorbite tempering) – сорбит, образовавшийся при отпуске закаленной стали в результате коагуляции зерен цементита, имеет зернистое строение.

Троостит отпуска (troostite tempering) – троостит с зернистым строением, образовавшийся при распаде мартенсита в процессе отпуска.

ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

4.1. Основные теоретические сведения Индивидуальные задания, выполняемые студентами при изучении курса “Материаловедение. ТКМ”, представляют собой совокупность конструкторских документов, выполняемых на бумаге формата А4:

графических (чертежи, схемы) и текстовых (пояснительная записка, спецификации).

Графические документы также могут содержать текстовую часть.

Правила, порядок разработки и оформления конструкторских документов регламентированы комплексом стандартов Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и распространяются на все виды изделий машиностроения и приборостроения. Ниже приводится перечень стандартов, которые могут быть использованы при оформлении заданий.

ПЕРЕЧЕНЬ СТАНДАРТОВ

ГОСТ 2.001–93 ЕСКД Общие положения ГОСТ 2.004–88 ЕСКД Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ ГОСТ 2.101–68 ЕСКД Виды изделий ГОСТ 2.102–68 ЕСКД Виды и комплектность конструкторских документов ГОСТ 2.104–2006 ЕСКД Основные надписи ГОСТ 2.105–95 ЕСКД Общие требования к текстовым документам ГОСТ 2.106–2006 ЕСКД Текстовые документы ГОСТ 2.109–73 ЕСКД Основные требования к чертежам ГОСТ 2.118–73 ЕСКД Техническое предложение ГОСТ 2.119–73 ЕСКД Эскизный проект ГОСТ 2.201–80 ЕСКД Обозначения изделий и конструкторских документов ГОСТ 2.307–68 ЕСКД Нанесение размеров и предельных отклонений ГОСТ 2.310–68 ЕСКД Нанесение на чертежах обозначений покрытий, ГОСТ 2.316–68 ЕСКД Правила нанесения на чертежах надписей, технических требований и таблиц ГОСТ 2.321–84 ЕСКД Обозначения буквенные ГОСТ 2.701–84 ЕСКД Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению ГОСТ 8.417–2002 ЕСКД Единицы величин В учебных проектах конструкторские документы обозначают по установленной в вузе системе обозначений эскизных документов.

Структура обозначения приведена на рис. 4.1 (номера полей указаны в скобках):

Рис. 4.1. Структура обозначения документа В поле 1 записывают условный код, сформированный из обозначения технического задания (например, “М и ТКМ 1–7”, где М и ТКМ – название дисциплины, 1 – номер индивидуального задания, 7 – номер варианта.

В поле 2 записывают порядковый номер от 1 до 9 основной сборочной единицы, входящей в состав изделия.

В поле 3 записывают порядковый номер от 1 до 9 сборочной единицы, входящей и состав основной сборочной единицы и обозначенной в поле 2.

В поле 4 записывают от 11 до 99 обозначение чертежа детали.

В обозначении конструкторских документов между полями 1 и 2, 3 и 4 ставят разделительные строки (рис. 4.3).

Если документу присвоен код, то правее поля 4 приводят его обозначение.

Основную надпись располагают в правом нижнем углу документа.

На листах формата А4 по ГОСТ 2.301–68 – вдоль короткой стороны;

на других форматах – вдоль длинной стороны листа.

Основная надпись чертежей, схем и текстовых конструкторских документов представлена на рис. 4.2.