- •Курс лекций по материаловедению
- •Предисловие
- •Рекомендуемая литература
- •1(1). Предмет материаловедения. Историческая справка
- •2(2). Мировое производство основных материалов
- •3(3). Черные и цветные металлы, свойства и применение
- •4(4). Сталь как важнейший конструкционный материал
- •5. Способы получения и технологической обработки металлов и сплавов
- •6. Виды контроля, параметры и методы оценки качества материалов
- •7(12). Механические испытания материалов
- •8(13). Испытание на растяжение
- •1. Характеристики прочности
- •2. Характеристики пластичности
- •9. Испытания на изгиб и сжатие
- •10(14). Определение твердости
- •1. Определение твердости по Бринеллю
- •2. Определение твердости по Роквеллу
- •3. Определение твердости по Виккерсу
- •11(15). Определение ударной вязкости при изгибе
- •12. Испытание на вязкость разрушения
- •13. Испытание на усталость. Живучесть
- •14. Стандарты на материалы. Принципы маркировки и сортамент металлических материалов
- •15. Строение металлического слитка. Влияние на механические свойства величины зерна, способы регулирования
- •16(5). Строение металлов. Применение поликристаллических, монокристаллических и аморфных материалов в промышленности
- •17(6). Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия кристаллов
- •18(7). Точечные, линейные и поверхностные дефекты в кристаллах, влияние на прочность
- •19(8). Деформация и разрушение металла. Упругая и пластическая деформация. Механизм пластической деформации. Наклёп
- •20(10). Возврат и рекристаллизация
- •21. Холодная и горячая деформация. Сверхпластичность. Структура и свойства сплавов после горячей обработки давлением
- •22(17). Полиморфные превращения
- •23(18). Строение сплавов. Твердые растворы, химические соединения, механические смеси
- •24. Диаграммы фазового равновесия
- •25. Правило фаз и правило отрезков
- •26. Ликвация в сплавах
- •27. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния
- •28(19). Фазы и структуры на диаграмме состояния железо-цементит
- •Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов
- •29(20). Железо и сплавы на его основе. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
- •30(21). Легирующие элементы в стали. Влияние легирующих элементов на диаграмму состояния
- •31(22). Структурные классы легированных сталей
- •32(23). Цели легирования
- •33. Превращения аустенита при охлаждении. Термокинетическая диаграмма
- •34(24). Основные виды термической обработки. Предварительная и окончательная термообработка
- •35(25). Виды отжига и их назначение
- •36(26). Закалка и отпуск сталей. Поверхностная закалка
- •37(27). Искусственное и естественное старение сплавов
- •38. Виды брака при термообработке
- •39(28). Термомеханическая обработка и ее разновидности
- •Сравнительные данные по механическим свойствам
- •40(29). Химико-термическая обработка, ее разновидности и применение
- •41(9). Объемное и поверхностное деформационное упрочнение
- •42(30). Классификация сталей
- •43(31). Конструкционные стали и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •1. Углеродистые стали
- •2. Легированные стали
- •44(32). Инструментальные стали и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •45(31.3). Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
- •46(33). Белый, серый, высокопрочный, ковкий и легированный чугун, маркировка, структура, свойства и область применения
- •47(34). Магний и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •48. Бериллий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •49(35). Алюминий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •Классификация алюминиевых сплавов
- •50(36). Титан и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •51(37). Медь и сплавы на ее основе, маркировка, свойства и область применения
- •52. Никель и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •53(38). Тугоплавкие металлы и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •54(39). Антифрикционные материалы, маркировка, структура, свойства и область применения
- •55. (40). Неметаллические материалы. Классификация полимеров
- •56. (40). Пластические массы, состав, свойства и область применения
- •57. Эластомеры. Состав, классификация и свойства резин
- •58. Клеящие материалы и герметики, состав, классификация и свойства
- •59. Неорганические материалы. Графит, керамика, неорганическое стекло, ситаллы, свойства и область применения
- •60. Порошковые материалы, структура, свойства и область применения
- •61. Композиционные материалы с металлической и неметаллической матрицей, структура, свойства и область применения
- •62. Наноматериалы
- •63. Древесные материалы, классификация, свойства и область применения
- •64. Вспомогательные материалы. Смазочные и смазочно-охлаждающие материалы, асбест, бумага кожа, текстиль
- •65. Защитные и декоративные покрытия. Лакокрасочные, электролитические и горячие покрытия. Плакирование
- •Приложение а
- •Приложение б Кратные и дольные приставки к физическим единицам
- •Приложение в Ориентировочный перевод значений твердости, определяемых по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса
- •Содержание
31(22). Структурные классы легированных сталей
Исходя из структуры, получаемой после охлаждения на воздухе небольших образцов, нагретых до температуры 900 оС, различают следующие классы легированных сталей:перлитный, бейнитный, мартенситный, ферритный, аустенитный и карбидный(ледебуритный)*. Стали перлитного и бейнитного класса содержат сравнительно небольшое количество легирующих элементов; мартенситные – больше, а ферритные, аустенитные и карбидные – еще большее количество легирующих элементов.
32(23). Цели легирования
Достижение мелкозернистой структуры для повышения механических свойств (прочности, твердости, пластичности, вязкости);
Достижение специальных свойств (коррозионной стойкости, кислотоупорности, жаростойкости или жаропрочности, высокого электросопротивления, определенного коэффициента линейного расширения, особых магнитных свойств и т.п.);
Достижение лучших технологических свойств (обрабатываемости резанием, жидкотекучести, свариваемости и др.).
Увеличение прокаливаемости (уменьшение критической скорости закалки) с целью снижения закалочных напряжений, а, следовательно, снижения вероятности растрескивания и коробления закаливаемых деталей.
33. Превращения аустенита при охлаждении. Термокинетическая диаграмма
Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше линии GS(для доэвтектоидной стали) или выше линииSE(для заэвтектоидной стали), переохладить до температуры ниже линииPSK(в дальнейшем будем обозначать ееА1), то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращения, характер которых зависит от скорости охлаждения.
Для описания кинетики превращений переохлажденного аустенита пользуются экспериментально построенными в координатах время – температура термокинетическими диаграммами.
Рассмотрим простейшую термокинетическую диаграмму, характерную для эвтектоидной углеродистой стали, схематически изображенную на рис. 33.1. На этой диаграмме вышеА1(727оС) находится область стабильного существования аустенита. Ниже этой области расположены две С-образные кривые; левая из которых обозначает начало, а правая – окончание распада аустенита.
Рис. 33.1. Термокинетическая диаграмма
Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита, определяет продолжительность инкубационного периода. В интервале температур и времени, соответствующих этой области, существует переохлажденный аустенит, практически не претерпевающий заметного распада38. Длительность инкубационного периода характеризует устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума при температуре около 500оС, и далее вновь возрастает – см. рис. 33.1. Повышение устойчивости аустенита и уменьшение скорости его превращения при больших степенях переохлаждения вызывается снижением скорости образования и роста новых фаз вследствие замедления процесса диффузии.
Ниже С-образных кривых расположены линии начала Мни окончанияМкмартенситного превращения.
Все легирующие элементы повышают устойчивость переохлажденного аустенита, что проявляется в снижении температур начала Мни окончанияМкмартенситного превращения (за исключениемAlиCo), а также в сдвиге С-образных кривых вправо (за исключениемCo), последнее приводит к соответствующему замедлению скоростей всех превращений.
В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области, превращения (см. рис. 33.1): перлитную, бейнитную (промежуточную) и мартенситную.
1. Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при температурахА1…500 °С. Аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита, содержащего 6,67 % С, т. е. состоит из фаз, имеющих различную концентрацию углерода. В процессе превращения происходит полиморфное γ→α-превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры (А→Ф+Fe3C) трех видов. Все продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение и в зависимости от степени дисперсности (крупности) их называютперлит, сорбит39 и троостит40или соответственно грубо-, средне- и тонкодифференцированный перлит. Чем больше скорость охлаждения (Vп<Vс<Vтр), тем тоньше получается ферритно-цементитная структура и выше ее твердость:
Структура Перлит Сорбит Троостит
НВ 180–250 250–350 350–450
2. Мартенситноепревращение происходит при быстрым охлаждении (закалке) со скоростью выше критической Vз>Vкр. По достижении температурыМнпроисходит бездиффузионное превращение аустенита, выражающееся в полиморфном изменении кристаллической решетки γ→α без выделения из нее углерода.
Рис.33.2. Кристаллическая (тетрагональная) решетка мартенсита
Мартенситом41называется пересыщенный упорядоченный твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в α-железе не превышает 0,02% , то его содержание в мартенсите будет таким же, как в исходном аустените, т.е. может достигать 2,14%. Атомы углерода оказываются насильственно внедренными в кристаллическую решетку α-железа в таком же количестве, которое было в исходном аустените. При этом ОЦК решетка искажается и принимает тетрагональную форму, при которой одно ребро элементарной ячейкисбольше другогоа (см. рис 33.2). С увеличением содержания углерода тетрагональностьс/авозрастает.
Рис.33.3. Зависимость твердости закаленной стали от содержания в ней углерода
Плотность дислокаций в мартенсите достигает 1012см–2. Искажения кристаллической решетки, вызванный ими внутренний наклеп и измельчение субзерен определяют высокую твердость мартенсита (при содержании углерода 0,6…0,7% его твердость равна 60…65 HRC). Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода – рис. 33.3. К тому же при образовании мартенсита происходит увеличение объема элементарных ячеек, что также увеличивает внутренние напряжения.
Как видно из рис. 33.1 мартенситное превращение завершается только при отрицательных температурах, поэтому при охлаждении стали до комнатных температур во время закалки в ее структуре наряду с мартенситом обнаруживают и остаточный аустенит (в высокоуглеродистых сталях до 10…50%), что снижает суммарную твердость. Для завершения мартенситного превращения высокоуглеродистые стали иногда подвергают «обработке холодом», что повышает их твердость на 1…3 единицы HRC.
Легирующие элементы, повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки. Например, при введении 1 % Сrв сталь с 1 %Скритическая скорость закалки уменьшается в 2 раза, а при введении 0,4 %Мокритическая скорость закалки снижается с 200 до 50 °С/с. Для многих легированных сталей критическая скорость закалки снижается до 20 °С/с и ниже. Например, быстрорежущие (высоколегированные) стали приобретают структуру мартенсита (т. е. закаливаются) при охлаждении на воздухе.
Общим в перлитном и мартенситном превращениях аустенита является наличие и в том и другом случаях полиморфного превращения γ→α. Отличие состоит в том, что диффузия углерода происходит только при перлитном превращении; при мартенситном превращении диффузия практически отсутствует.
3.Бейнитное(промежуточное) превращение протекает в температурной области между перлитным и мартенситным превращениями (см. рис. 33.1). В результате этого превращения образуется бейнит42, представляющий собой структуру, состоящую из α-твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом, и продуктов распада – частиц карбидов. Различают структуру верхнего и нижнего бейнита.Верхний бейнит, образующийся обычно в области температур 500…350 °С, имеет «перистый» вид (типа резаной соломы).Нижний бейнитобразуется обычно при температурах от 350 °С доMни имеет игольчатое (пластинчатое) строение. Бейнит получают с помощью так называемогоизотермического охлажденияс переменной скоростьюVиз(рис. 33.1), т. к. исходя из особенностей С-образных кривых он не может быть получен при постоянной скорости охлаждения.
Знание этих трех превращений важно для решения многих практических задач. Перлитное превращение протекает в процессе отжига стали, а мартенситное – при закалке стали. Бейнитное превращение важно для понимания процесса изотермической закалки стали.