16. Связь между видом диаграмм состояния и свойствами сплавов. Закономерности Н.С. Курнакова.

Так как вид диаграммы состояния, также как и свойства сплава, зависит от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава, то между ними должна существовать определенная связь. Эта зависимость установлена Курнаковым Н.С.

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

1. При образовании механических смесей свойства изменяются по линейному закону. Значения характеристик свойств сплава находятся в интервале между характеристиками чистых компонентов.

2. При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости, причем некоторые свойства, например, электросопротивление, могут значительно отличаться от свойств компонентов.

3. При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью свойства в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области – по линейному закону. Причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь.

4. При образовании химических соединений концентрация химического соединения отвечает максимуму на кривой. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой.

5. Диаграммы состояния двойных сплавов (основные типы). Закономерности Н.С. Курнакова.

6.  Диаграмма состояния сплавов показывает фазовое или структурное состояние в зависимости от сплавов. Процесс кристаллизации начинается на линии ликвидус и заканчивается на солидус. Свойства сплавов твёрдых растворов изменяются по параболической зависимости при добавлении второго компонента.

7.  Оба компонента имеют разную химическую природу.

8.  

9. 13. Диаграммы состояния сплавов. Правило отрезков.

10.  Для определения состава твёрдой и жидкой фазы какой-то точки необходимо провести коноду. Для определения количественного состава фаз в сплаве нужно брать отрезки на коноде обратно расположению фаз на диаграмме. Qα относится так к Qспл, что Qα/Qспл = lk/ls, а Qж/Qспл = ks/ls.

11.  

12. 14. Сплавы. Деформируемые и литейные сплавы. Особенности строения и свойства.

13. Литейный сплав в твёрдом состоянии хрупок, происходит разрушении в условиях растяжения или изгиба (ударного). Деформируемый сплав пластичен.

14.  Напряжение σ = P/F0, P – действующая нагрузка, F0 – площадь образца, которую он имеет в начале испытания на растяжение. Важнейшая характеристика: σВ – предел прочности при растяжении, что соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. σВ – сопротивление большой пластической деформации. Чем больше энергия атомов, тем выше σВ. Структура с мелким зерном прочнее, чем структура с крупным.

15.  σТ – предел текучести, для пластичных материалов σТ ≈ 0,5σВ. Условный предел текучести σ0,2 = 0,5-0,7 σВ. HB – твёрдость по Бринелю, характеризует сопротивление металла большой пластической деформации в условиях сжатия. P = 3000 кг, диаметр шарика = 10 мм. HB = P/Fотп [кгс/мм2].  Чем выше HB, тем труднее изготавливать детали. Линейная зависимость: σВ ≈ HB/3. Пластичность определяется в испытаниях на растяжение. lн – начальная длина образца, lк – конечная. Относительное удлинение σ% = (lк-lн)/lн·100%. Это характеристика надёжности материала. Относительное сужение ψ% = (dк-dн)/dн·100%, d – диаметр образца. Ударная вязкость – хар-ка, показывающая сопротивление материала к динамическим нагрузкам. Ударная вязкость aн = (P·H-P·h)/S [кгс/мм2]. Модуль Юнга E (нормальной упругости) показывает связь между нагрузкой и деформацией. Чем жёстче материал, тем выше E. EFe = 20000 кгс/мм2. 

15. Способы упрочнения сплавов.

16. Наклёп – упрочнение металлов и сплавов в результате измельчения зерна при холодной пластической деформации. Перекристаллизация – упрочнение в результате измельчения зерна при полиморфном превращении. Дисперсионное твердение – упрочнение сплавов в результате выделения мелких частиц второй фазы из пересыщенного твёрдого раствора.

 

16. Деформация упругая и пластическая. Упрочнения металлов при пластической деформации.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в крист. решётке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещённая часть кристалла не возвратится на старое место, деформация сохранится. Наклёп. Перекристаллизация. Дисперсионное твердение.

16. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (метастабильное равновесие).

Более полную систему железоуглеродистых сплавов и процессов формирования структур сталей и чугунов в наглядной форме пред­ставляют на диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов. В частности, наглядно видно, как изменяется растворимость цемен­тита в железе в зависимости от температуры.

На диаграмме (рис. 1) даны фазовый состав сплавов и их структура в интервале по составу от чистого железа до цементита (6,67% С). На оси абсцисс показано содержание углерода (С) в про­центах по массе, на параллельной ей линии — содержание цементи­та, на оси ординат — температура.

Точка A на диаграмме отмечает температуру плавления чистого железа (1539°С), а точка D — цементита (1500°С). Линия ABCD яв­ляется линией ликвидуса, а AHIECF — линией солидуса. Выше ли­нии солидуса существует жидкий сплав (Ж) — жидкий раствор угле­рода в железе.

При охлаждении жидких сплавов сначала происходит кристал­лизация, а затем после отвердевания — фазовые структурные пре­вращения вследствие полиморфизма железа и изменения раствори­мости углерода в аустените и феррите. Все эти изменения наблюдаются на диаграмме железо — углерод, причем эту сложную диаграмму при ее изучении разделяют на части, рассматривая каж­дую из них как двухкомпонентную диаграмму.

Рис. 1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

По содержанию углерода железоуглеродистые сплавы разделя­ют на стали, содержащие до 2,14% углерода, и чугуны с содержани­ем углерода более 2,14%. Принятая граница между сталями и чугунами соответствует наибольшей растворимости углерода в аустените.

Стали по содержанию углерода разделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидными называют стали, содержащие 0,02—0,8% угле­рода. Весьма малоуглеродистые сплавы, содержащие до 0,02% (на диаграмме точка Р), называют техническим железом.

17. Кристаллизация доэвтектоидных сталей происходит между ли­ниями ABC и AHIE, и в этом интервале они состоят из жидкой фазы и феррита или аустенита. После окончания кристаллизации доэвтектоидные стали состоят из аустенита, не изменяющегося при ох­лаждении вплоть до линии GOS, именуемой линией верхних крити­ческих точек и обозначаемой через Ac3. При дальнейшем охлаждении сталей образуются зерна феррита, а количество аусте­нита уменьшается.

18. На линии PSK при температуре 727°С происходит эвтектоидное (перлитное) превращение аустенита (точка 5). Последний распада­ется, выделяя феррит и цементит, которые образуют эвтектоидную мельчайшую смесь — перлит, содержащий 0,8% углерода. Линия PSK называется линией нижних критических точек или линией пер­литных превращений и обозначается через Ас1.

19. Структура перлита состоит из пластинок феррита и цементита, а на микрошлифе имеет вид перламутра (отсюда название перлита). После полного охлаждения доэвтектоидные стали состоят из ферри­та и перлита. С увеличением содержания углерода в стали снижает­ся количество феррита, но возрастает содержание перлита.

20. Заэвтектоидными называют стали, содержащие 0,8—2,14% угле­рода. При температурах выше линии SE находится в стали только аустенит. С охлаждением эта структурная составляющая стали ста­новится насыщенной углеродом и из нее выделяется вторичный це­ментит (ниже линии SE). От температуры 727°С и ниже заэвтектоид­ные стали состоят из перлита и вторичного цементита.

21. Чугуны по содержанию углерода разделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

22. Доэвтектическими называют чугуны, содержащие 2,14—4,3% уг­лерода. На диаграмме они располагаются в области между линиями ВС и ЕС; состоят из двух фаз — жидкости и кристаллов аустенита. При температуре эвтектики, равной 1147°С, оставшийся жидкий сплав кристаллизуется с превращением в эвтектику — ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита. Доэвтектические чугуны между линиями ЕС (1147°С) и РSК (727°С) состоят из аустенита, цементита и ледебурита. При температуре ниже 727°С аустенит превращается в перлит, а доэвтектические чу­гуны содержат перлит, цементит и ледебурит. С увеличением коли­чества углерода в чугунах уменьшается содержание перлита и увели­чивается — ледебурита.

23. Эвтектическим называют чугун при содержании углерода в ко­личестве 4,3% (точка С); он кристаллизуется при постоянной темпе­ратуре 1147°С с образованием эвтектики — ледебурита. Эвтектиче­ский чугун и при обычной температуре состоит из ледебурита.

24. Заэвтектическими называют чугуны с содержанием углерода 4,3—6,67%. Они кристаллизуются по диаграмме состояния сплавов между линиями CD и CF с образованием в жидком сплаве кристал­лов первичного цементита. При дальнейшем охлаждении оставшая­ся жидкость затвердевает, образуя эвтектику — ледебурит. Заэвтек­тические чугуны после отвердевания состоят из цементита и ледебурита. При температуре 727°С входящий в ледебурит аустенит распадается с образованием перлита; при дальнейшем снижении температуры заэвтектические чугуны состоят из цементита (в виде пластин) и ледебурита. С увеличением количества углерода возрас­тает и содержание цементита.

18 Фазовые состояния Ж. с. при разных составах и температурах описываются диаграммами стабильного (рис. 1, а) и метастабильного (рис. 1, б) равновесий. В стабильном состоянии в Ж. с. встречаются жидкий раствор углерода в железе (Ж), три твёрдых раствора углерода в полиморфных модификациях железа (табл. 1)

фазы

Природа фазы

Структура

a-феррит

Твердый раствор внедрения углерода в a-Fe

Объемноцен

трированная кубическая

Аустенит

Твердый раствор внедрения углерода в g-Fe

Гранецентри

рованная кубическая

d-феррит

Твердый раствор внедрения углерода в d-Fe

Объемноцен

трированная кубическая

Графит

Полиморфная модификация углерода

Гексогональная слоистая

Цементит

Карбид железа Fe2C

Ромбическая

a-раствор (a-феррит), g-раствор (аустенит) и d-раствор (d-феррит), и графит (Г). В метастабильном состоянии в Ж. с. встречаются Ж, a-, g-, d-растворы и карбид железа Fe3C — цементит (Ц). Области устойчивости Ж. с. в однофазных и двухфазных состояниях указаны на диаграммах. При некоторых условиях в Ж. с. могут существовать в равновесии и три фазы. При температурах НВ возможно перитектич. равновесие d + g + Ж, E’C’F’ — эвтектическое стабильное равновесие g + Ж + Г; при ECF — эвтектическое метастабильное равновесие g + Ж + Ц; при P'S'K' — эвтектоидное стабильное равновесие a + g + Г', при PSK — эвтектоидное метастабильное равновесие a + g+ Ц. Диаграммы а и б вычерчиваю и в одной координатной системе (рис. 1, в). Такая сдвоенная диаграмма наглядно характеризует относительное смещение однотипных линий равновесия и облегчает анализ Ж. с., содержащих стабильные и метастабильные фазы одновременно.

Рис. 1. Диаграммы стабильного равновесия.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна, - процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно-цементитной (П -f- Ц), перлитной (П), перлитно-ферритной (П Ч- Ф) и ферритной (Ф). Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит - структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун (в порядке силы действия: С, Si, Ni, Co, Cu ), способствуют графитизации, другие - препятствуют(S, V, Cr, Sn, Mo, Mn). Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремнии, наименьшее - кобальт и медь.

Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, олово. Поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.

19

Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 1) на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором образуется цементит Fе₃С. По диаграмме состояния системы железо - углерод судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. На диаграмме состояния Fe - Fе₃С приняты международные обозначения. Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо - цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита), а пунктирными - диаграмма состояния железо - графит {стабильная).

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой (Fe - С), а железоцементитной (Fe - Fе₃С), так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Компоненты системы железо и углерод - элементы полиморфные. Основной компонент системы - железо.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может образовать химическое соединение - цементит Fе₃С или присутствовать в сплавах в виде графита.

В системе железо-цементит (Fe - Fе₃С) имеются следующие фазы: жидкий раствор. твердые растворы - феррит и аустенит, а также химическое соединение - цементит.

Феррит может иметь две модификации - высоко- и низкотемпературную. Высоко­температурная модификация d-Fe и низкотемпературная - a-Fe представляют собой твердые растворы углерода, соответственно, в d- и a- железе. 

Рис. 1.

Предельное содержание углерода в a-Fe при 723°С -0,02%, а при 20°С - 0,006%.  Низкотемпературный феррит a-Fe по свойствам близок к чистому железу и имеет довольно низкие механические свойства, например, при 0,06% С:

s = 250 МПа;

d - 50%;

y= 80%;

твердость - 80...90 НВ.

Аустенит g-Fe - твердый раствор углерода в g-железе. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14%. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Мn, Сг и др.) при обычных (даже низких) температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Твердость аустенита 160...200 НВ.

Сплавы железа с углеродом, имеющие промышленное применение, называются чугунами и сталями. Наибольшее количество углерода в этих сплавах достигает 6,67%.

20

Влияние легирующих элементов на структуру металла

На механические, физические и химические свойства стали большое влияние оказывают присадки легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена, ванадия, титана и др. Большинство специальных примесей и углерод повышают прока-ливаемость стали, так как увеличивают устойчивость аустенита и замедляют процесс распада его при охлаждении.

Основное влияние большинства специальных примесей и углерода заключается в том, что они снижают критическую скорость охлаждения и при определенном содержании могут вызвать закалку даже при охлаждении на воздухе. При сварке большинства легированных сталей вероятность образования мартенсита в наплавленном металле и в зоне термического влияния вбсьма высока, потому что отвод тепла от металла шва к металлу зоны термического влияния происходит значительно быстрее, чем отвод тепла в окружающий воздух. Это является одним из основных затруднений при сварке легированных сталей.

В зависимости от структуры, получаемой при охлаждении на спокойном воздухе, стали часто делят на следующие структурные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный, карбидный и ферритный. К перлитному классу относят стали, которые при охлаждении на воздухе приобретают структуру перлита, сорбита или троостита.

К мартенситному классу относят легированные стали, в которых при охлаждении на воздухе появляется структура мартенсита. К аустенитному классу относят легированные стали, когда в них не наблюдается распада аустеннта при самом большом содержании примесей. К сталям карбидного класса относят стали мартенситного или аустенитного класса с карбидообразующимн элементами (хром, вольфрам и др.), благодаря чему в структуре металла наряду с мартенситом или аустенитом содержится значительное количество карбидов.

Структура сталей перлитного класса. К сталям перлитного класса относят углеродистые и низколегированные стали. Одной из особенностей структурных изменений в сталях перлитного класса при сварке является возможность получения в зоне влияния структуры мартенсита. Появление мартенсита в зоне термического влияния основного металла крайне нежелательно не только из-за повышенной твердости и уменьшения пластических свойств зоны, но и главным образом из-за возможного образования микроскопических или даже субмикроскопических трещин.

21

Термическая обработка – совокупность операций теплового воздействия на материалы (главным образом металлы и сплавы) с целью изменения их структуры и свойств в нужном направлении. Заключается в нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью (рис. 44).

Термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства и ремонта деталей машин. Она применяется как промежуточная операция для улучшения технологических свойств металлов (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательная – для придания им комплекса механических, физических и химических свойств, обеспечивающих необходимые характеристики изделий. Тепловое воздействие при термической обработке может сочетаться с деформационным (термомеханическая обработка), химическим (химико-термическая обработка), магнитным (термомагнитная обработка). Разновидностями термообработки являются обработка холодом и электротермическая обработка. К основным видам термической обработки относятся: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение, патентирование.

Отжиг – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении. Отжиг способствует снятию напряжений, повышению пластичности, улучшению обрабатываемости и т.д.

Нормализация (франц. normalization – упорядочение, от normal – правильный) стали – термическая обработка, заключающаяся в ее нагреве до температур аустенитного состояния, выдержке и последующем охлаждении на воздухе. Целью нормализации является придание стали однородной мелкозернистой структуры для повышения ее механических свойств (пластичности и ударной вязкости).

Закалка – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали и последующем ускоренном охлаждении с целью подавления процессов, происходящих в ней при медленном охлаждении. После закалки структура стали находится в неравновесном состоянии, не свойственной ей при нормальной температуре.

Отпуск закаленной стали – термическая обработка, существляемая после ее закалки. При отпуске сталь нагревается до температуры ниже нижней критической точки, выдерживается и охлаждается, как правило, на воздухе, в воде или в масле. Цель отпуска – достижение наиболее рационального сочетания в обрабатываемых сплавах прочности, пластичности и ударной вязкости.

Старение – изменение механических, физических и химических свойств металлов и сплавов, протекающее либо самопроизвольно, в процессе длительной выдержки при комнатной температуре (естественное старение), либо при нагреве (искусственное старение). Старение приводит к увеличению прочности и твердости при одновременном уменьшении пластичности и ударной вязкости.

Патентирование (от англ. patenting) – термическая обработка стальной проволоки с целью увеличения ее обжатия при волочении и повышения прочности. Патентирование заключается в нагреве до 870…950 С, быстром охлаждении (обычно в солевом или свинцовом расплаве) до температуры 450…550 С, выдержке и последующем охлаждении на воздухе или в воде.

проводить различные виды термической и химико-термической обработки. На рис. 111 показана схема универсальной автоматической линии, в состав которой входят три высокотемпературные печи 7, отпускная печь 2, две моечные машины 4 и щит управления 1 отпускной печи. Одна моечная машина используется для предварительной мойки, другая для окончательной.

Каждая высокотемпературная печь имеет щит управления 5 и оборудована индивидуальной установкой 3 для приготовления защитного газа, установкой 6 для регулирования углеродного потенциала, что дает возможность в каждой печи иметь необходимую атмосферу.

22

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.

1. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки А1.

2. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже точки А1.

3. Превращение аустенита в мартенсит.

4. Превращение мартенсита в феррито-карбидную смесь.

Различная скорость распада аустенита при температурах диффузионного (перлитного) и промежуточного (бойнитного) превращений и изменение в положении мартенситного интервала температур зависят от содержания углерода в легированном аустените. В легированных сталях с небольшим содержанием углерода (легированные конструкционные стали) наибольшая скорость превращения наблюдается при температурах промежуточного превращения (рис. 28, а), а в легированных сталях с высоким содержанием углерода (легированные" инструментальные стали) — при температурах диффузионного (перлитного) превращения (рис. 28, б).

В легированных сталях по сравнению с аналогичными углеродистыми сталями аустениг более устойчив как в области перлитного, так и бейнитного превращений, и поэтому кривые изотермического распада аустенита сдвинуты в правую сторону.

Причиной замедления распада переохлажденного легированного аустенита в области диффузионного превращения является то, что в процессе образования перлита принимают участие легирующие элементы. Образованию феррн го-карбидной смеси предшествует диффузия в аустените не только углерода, но и легирующих элементов — карбидообразующие элементы концентрируются в основном в карбидной фазе с образованием легированного цементита или специальных карбидов, а некарбидообразующие элементы — в феррите. Скорость диффузии легирующих элементов во много раз меньше скорости диффузии углерода, поэтому замедление аустенито-перлитного распада определяется малой скоростью диффузии легирующих элементов.

Диффузионное превращение аустенита особенно резко замедляют молибден и вольфрам и слабее хром и никель. Промежуточное превращение в легированных сталях протекает не до конца, и оставшийся непревращенным аустенит

при последующем охлаждении почти полностью превращается в мартенсит. В этом случае образуется структура — бейнит, мартенсит и аустенит (остаточный).

Термическая обработка стали состоит в нагреве до определенной температуры, выдержке и охлаждении с определенной скоростью.

При кажущейся простоте этих операций в процессе их выполнения в стали протекают сложные процессы, которые и определяют свойства после термической обработки.

23

Кинетическая кривая — изменение концентрации реагента или продукта, или связанного с ними свойства системы во времени в результате протекания химического процесса. Эта зависимость концентрации вещества от времени протекания реакции может быть выражена в графической, табличной или аналитической форме. Одним из основных кинетических параметров, характеризующих химическую реакцию, является скорость химической реакции — количество реакционных частиц определенного вида, реагирующих в единицу времени (dc/dt).

Форма полученных кинетических кривых позволяет выявить особенности кинетики изучаемой реакции. Возможные формы кинетических кривых приведены на рис. 2.1.1. Эти кривые характеризуют 4 основных типа расходования и накопления соединений в реакционной смеси:

1. Реагент расходуется практически нацело. Его концентрация уменьшается во времени: c(t₁) > c(t₂) при t₁ < t₂, или dc/dt ≤ 0, и, если реакция идет до конца, то с(t) → 0 при t → ∞.

2. Реагент расходуется до конечной степени превращения, меньшей 100 %, что характерно для химических процессов, основу которых составляют: обратимые реакции; каталитические реакции, в ходе которых катализатор отравляется; сложные реакции, протекающие с образованием ингибитора. Кроме того, не расходуются до конца реагенты в многокомпонентной реакции, если реагенты взяты в нестехиометрическом соотношении. В этих случаях при t → ∞ с_∞ ≠ 0.

3. Концентрация продукта возрастает монотонно. Если вещество — конечный продукт, то его концентрация увеличивается во времени: c(t₁) < c(t₂) при t₁ < t₂, или dc/dt ≥ 0.

4. Концентрация продукта проходит через максимум. Подобный тип зависимости характерен для промежуточного продукта, его концентрация увеличивается, проходит через максимум и уменьшается, т. е. какое-то время dc/dt ≥ 0 для t₁ < t_max, а затем dc/dt ≤ 0 для t ≥ t_max (где t_max — время достижения максимальной концентрации промежуточного продукта).