4.5. Образование графитных включений в чугунах.

Чугуны, в отличии от сталей, содержат больше углерода, поэтому углерод в чугунах может скапливаться в чистом виде, т.е. в виде графитных включений различной формы. Для образования таких графитных включений, необходимо достаточно временя, для того чтобы углерод успел диффундировать и собираться в отдельных местах. Если времени будет недостаточно, то графитные включения не успевают образовываться при кристаллизации. В таком случае наблюдается образование не графита, а цементита. Цементит является менее стабильной фазой, чем графит, однако по кинетическим соображениям описанным выше, является более вероятной, чем образовании графита (цементит по химическому составу (6,67% C) ближе к жидкому расплаву чугуна, чем графита (100% C)). Образование графитных включений наблюдается только при медленном равновесном охлаждении расплавленного чугуна. В этом случае создаются благоприятные условия для скопления атомов углерода. Т.о. важнейшим фактором влияющим на процесс графитизации чугунов является скорость охлаждения расплавов. При высоких скоростях охлаждения образуется белый чугун, а при малых – графит. Кроме того, на процесс графитизации оказывает влияние в жидком расплаве не растворившихся частиц графита и таких не металлических включений как: . При затвердевании чугунов могут играть роль центров графитизации и тем самым способствуют образованию графита. Так же на процесс графитизации влияет химический состав расплавов. Повышенное содержание в расплаве кремния способствуют графитизации, а марганец на против – препятствует. Ещё более чем марганец препятствует графитизации – сера, приводя к отбеливанию чугуна. Высокопрочные чугуны получают путём модифицирования жидкого расплава. Для этого жидкий расплав вводят магний, кальций, алюминий. Они способствуют формированию графитных включений шаровидной формы. Ковкий чугун получают из белого доэвтектического чугуна, путём его нагрева и длительного выдержке. Эту процедуру называютграфитизированным отжигом или томлением. При нагреве и выдержке метастабильный цементит присутствующий в структуре белых чугунов распадается на железо и углерод, а точнее на феррит и графит. При этом графит объединяется во включения хлопьевидной формы.

Тема №5: Теоретические основы термической обработки.

5.1. Общие сведения по теоретической обработке сталей.

В общем случае термообработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки твёрдых сплавов с целью достижения требуемых свойств за счёт изменения внутренней структуры этих материалов. Таким образом, в основе термической обработки лежат структурные изменения при их нагреве и охлаждении. Термическую обработку применяют либо как промежуточную операцию, улучшающую обрабатываемость материалов резанием, давлением, либо как завершающую операцию технического процесса, придающая металлу необходимые физико-механические свойства. При нагреве, выдержке и охлаждении материала в их структуре происходят изменения, которые ведут к изменению свойств материала. После термической обработки структура материала может быть равновесной, либо неравновесной (метастабильной). Равновесная структура соответствует его диаграмме состояния. Основными факторами процесса термической обработки является температура и время, поэтому любой режим термической обработки может быть представлен графиком зависимости T от t.

T_H – температура до которой нагревается материал и выдерживают в течение времени .

Скорость нагрева материала характеризуется углом нагрева α, а скорость охлаждения углом β. Чем выше скорость нагрева и охлаждения, тем больше α и β. Термическая обработка углеродистых сталей включает отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и старение. Отжиг заключается в нагреве сталей до определённых температур, с последующей выдержкой и медленным равновесным охлаждением вместе с печь. В процессе отжига, структура сталей приобретает равновесное состояние, т.е. полностью соответствует диаграмме состояния. Если после нагрева и выдержки, охлаждение стали производится не вместе с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализацией. Закалка – это термическая операция, которая состоит в нагреве углеродистых сталей до температур выше фазовых превращений, с последующим быстрым охлаждением со скоростью выше критической. В результате закалки структура сталей оказывается не равновесной (метастабильной). Отпуск – состоит в нагреве не равновесных температур фазовых превращений с последующей выдержкой и охлаждением. При отпуске метастабильная структура сталей приходит в более равновесное состояние. Самопроизвольный отпуск закалённых сталей с течением времени без нагрева или без значительного нагрева, называется старением. При нагреве, выдержке и охлаждении углеродистых сталей в процессе термообработке, в их структуре могут происходить следующие превращения:

1. Превращение перлита в аустенит (П → А), при нагреве сталей: .

2. Превращение аустенита в перлит (А → П), при медленном равновесном охлаждении стали: .

3. Превращение аустенита в мартенсит (А → М),при быстром охлаждении. Мартенсит – неравновесная (метастабильная) фаза – это пересыщенный твёрдый раствор внедрения углерода в фазе..

4. Превращение мартенсита в смесь феррита с цементитом, при отпуске закалённых сталей: .