Кристаллизация сплавов.

 

Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии.

Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе.

В сплавах в твердых состояниях, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.

Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.

При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост.

Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз.

Нарушение когерентности и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры.

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния.

 

Диаграмма состояния.

 

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры (рис. 4.5)

.

Рис. 4.5. Диаграмма состояния

 

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа.

В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус.

По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс –концентрация компонентов, по оси ординат – температура.

Шкала концентраций показывает содержание компонента В. Основными линиями являются линии ликвидус (1) и солидус (2), а также линии соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии (3, 4).

По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

Материалы порошковой металлургии

 

Порошковая металлургия – область техники, охватывающая процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений и процессы изготовления изделий из них без расплавления.

Характерной особенностью порошковой металлургии является применение исходного материала в виде порошков, из которых прессованием формуются изделия заданной формы и размеров. Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температуры плавления основного компонента.

Основными достоинствами технологии производства изделий методом порошковой металлургии являются

1. возможность изготовления деталей из тугоплавких металлов и соединений, когда другие методы использовать невозможно;

2. значительная экономия металла за счет получения изделий высокой точности, в минимальной степени нуждающихся в последующей механической обработке (отходы составляют не более 1…3 %);

3. возможность получения материалов максимальной чистоты;

4. простота технологии порошковой металлургии.

Методом порошковой металлургии изготавливают твердые сплавы, пористые материалы: антифрикционные и фрикционные, фильтры; электропроводники, конструкционные детали, в том числе работающие при высоких температурах и в агрессивных средах.

 

Пористые порошковые материалы

 

Отличительной особенностью является наличие равномерной объемной пористости, которая позволяет получать требуемые эксплуатационные свойства.

Антифрикционные материалы (пористость 15…30 %), широко применяющиеся для изготовления подшипников скольжения, представляют собой пористую основу, пропитанную маслом. Масло поступает из пор на поверхность, и подшипник становится самосмазывающимся, не требуется подводить смазку извне. Это существенно для чистых производств (пищевая, фармацевтическая отрасли). Такие подшипники почти не изнашивают поверхность вала, шум в 3…4 раза меньше, чем от шариковых подшипников.

Подшипники работают при скоростях трения до 6 м/с при нагрузках до 600 МПа. При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20…30 м/с. Коэффициент трения подшипников – 0,04…0,06.

Для изготовления используются бронзовые или железные порошки с добавлением графита (1…3 %).

Разработаны подшипниковые спеченные материалы на основе тугоплавких соединений (боридов, карбидов и др.), содержащие в качестве твердой смазки сульфиды, селениды и гексагональный нитрид бора. Подшипники могут работать в условиях вакуума и при температурах до 500^oС.

Применяют металлопластмассовые антифрикционные материалы: спеченные бронзографиты, титан, нержавеющие стали пропитывют фторопластом. Получаются коррозионностойкие и износостойкие изделия. Срок службы металлопластмассовых материалов вдвое больше, чем материалов других типов.

Фрикционные материалы (пористость 10…13 %) предназначены для работы в муфтах сцепления и тормозах. Условия работы могут быть очень тяжелыми: трущиеся поверхности мгновенно нагреваются до 1200^oС, а материал в объеме – до 500…600^oС. Применяют спеченные многокомпонентные материалы, которые могут работать при скоростях трения до 50 м/с на нагрузках 350…400 МПа. Коэффициент трения при работе в масле – 0,08…0,15, при сухом трении – до 0,7.

По назначению компоненты фрикционных материалов разделяют на группы:

а) основа – медь и ее сплавы – для рабочих температур 500…600^oС, железо, никель и сплавы на их основе – для работы при сухом трении и температурах 1000…1200^oС;

б) твердые смазки – предотвращают микросхватывание при торможении и предохраняют фрикционный материал от износа; используют свинец, олово, висмут, графит, сульфиты бария и железа, нитрид бора;

в) материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения – асбест, кварцевый песок, карбиды бора, кремния, хрома, титана, оксиды алюминия и хрома и др.

Примерный состав сплава: медь – 60…70 %, олово – 7 %, свинец – 5 %, цинк – 5…10%, железо – 5…10 %, кремнезем или карбид кремния – 2…3 %, графит – 1…2 %.

Из фрикционных материалов изготавливают тормозные накладки и диски. Так как прочность этих материалов мала, то их прикрепляют к стальной основе в процессе изготовления (припекают к основе) или после (приклепывают, приклеивают и т.д.).

Фильтры (пористость 25…50 %) из спеченных металлических порошков по своим эксплуатационным характеристикам превосходят другие фильтрующие материалы, особенно когда требуется тонкая фильтрация.

Они могут работать при температурах от –273^oС до 900^oС, быть коррозионностойкими и жаропрочными (можно очищать горячие газы). Спекание позволяет получать фильтрующие материалы с относительно прямыми тонкими порами одинакового размера.

Изготавливают фильтры из порошков коррозионностойких материалов: бронзы, нержавеющих сталей, никеля, серебра, латуни и др. Для удовлетворения запросов металлургической промышленности разработаны материалы на основе никелевых сплавов, титана, вольфрама, молибдена и тугоплавких соединений. Такие фильтры работают тысячи часов и поддаются регенерации в процессе работы. Их можно продуть, протравить, прожечь.

Фильтрующие материалы выпускают в виде чашечек, цилиндров, втулок, дисков, плит. Размеры колеблются от дисков диаметром 1,5 мм до плит размерами 450 х 1000 мм. Наиболее эффективно применение фильтров из нескольких слоев с различной пористостью и диаметром пор.

Прочие пористые изделия.

 

“Потеющие сплавы“ – материалы, через стенки которых к рабочей наружной поверхности детали поступает жидкость или газ. Благодаря испарению жидкости температура поверхности понижается (лопатки газовых турбин).

Сплавы выпускаются на основе порошка нихроми с порами диаметром до 10…12 мкм при пористости 30 %. Сплавы этого типа используются и для решения обратной задачи: крылья самолетов покрывают пористым медно-никелевым слоем и подают через него на поверхность антифриз, препятствующий обледенению.

Пеноматериалы – материалы с очень высокой пористьстью, 95…98 %. Например, плотность вольфрама 19,3 г/см³, а пеновольфрама – всего 3 г/см³. Такие материалы используют в качестве легких заполнителей и теплоизоляции в авиационной технике.

 

Конструкционные порошковые материалы

 

Спеченные стали. Типовыми порошковыми деталями являются кулачки, корпуса подшипников, ролики, звездочки распределительных валов, детали пишущих и вычислительных машин и другие. В основном это слабонагруженные детали, их изготавливают из порошка железа и графита. Средненагруженные детали изготавливают или двукратным прессованием – спеканием, или пропиткой спеченной детали медью или латунью. Детали сложной конфигурации (например, две шестерни на трубчатой оси) получают из отдельных заготовок, которые насаживают одну на другую с натягом и производят спекание. Для изготовления этой группы деталей используют смеси железо – медь – графит, железо – чугун, железо – графит – легирующие элементы.

Особое место занимают шестерни и поршневые кольца. Шестерни в зависимости от условий работы изготавливают из железо – графита или из железо – графита с медью или легирующими элементами. Снижение стоимости шестерни при переходе с нарезки зубьев на спекание порошка составляет 30…80 %. Пропитка маслом позволяет обеспечить самосмазываемость шестерни, уменьшить износ и снизить шум при работе.

Спеченные поршневые кольца изготавливают из смеси железного порошка с графитом, медью и сульфидом цинка (твердая смазка). Для повышения износостойкости делают двухслойные кольца: во внешний слой вводят хром и увеличивают содержание графита. Применение таких колец увеличивает пробег автомобильного двигателя, уменьшает его износ и сокращает расход масла.

Высоколегированные порошковые стали, содержащие 20 % хрома и 15 % никеля, используют для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах.

 

Спеченные цветные металлы.

 

Спеченный титан и его сплавы используют в виде полуфабрикатов (лист, трубы, пруток). Титановый каркас пропитывают магнием. Такие материалы хорошо обрабатываются давлением.

Широко используются материалы на основе меди, например, изготавливают бронзо – графитные шестерни. Свойства спеченных латуней выше, чем литых, из-за большей однородности химического состава и отсутствия посторонних включений.

Спеченные алюминиевые сплавы используют для изготовления поршней тяжело нагруженных двигателей внутреннего сгорания и других изделий, длительное время работающих при повышенных температурах, благодаря их повышенной жаропрочности и коррозионной стойкости.

Керамикометаллические материалы (керметы) содержат более 50 % керамической фазы. В качестве керамической фазы используют тугоплавкие бориды, карбиды, оксиды и нитриды, в качестве металлической фазы – кобальт, никель, тугоплавкие металлы, стали.

Керметы отличаются высокими жаростойкостью, износостойкостью, твердостью, прочностью. Они используются для изготовления деталей конструкций, работающих в агрессивных средах при высоких температурах (например, лопаток турбин, чехлов термопар). Частным случаем керметов являются твердые сплавы.

 

Электротехнические порошковые материалы

 

Электроконтактные порошковые материалы делятся на материалы для разрывных контактов и материалы для скользящих контактов.

Материалы разрывных контактов должны быть тепло- и электропроводными, эрозионностойкими при воздействии электрической дуги, не свариваться в процессе работы. Контактное сопротивление должно быть возможно меньшим, а критические сила тока и напряжение при образовании дуги – возможно большими. Чистых металлов, удовлетворяющих всем этим требованиям, нет. Изготавливают контактные материалы прессованием с последующим спеканием или пропиткой пористого тугоплавкого каркаса более легкоплавким металлом (например, вольфрам пропитывают медью или серебром).

Тяжелонагруженные разрывные контакты для высоковольтных аппаратов делают из смесей вольфрам – серебро – никель или железо – медь. В низковольтной и слаботочной аппаратуре широко используют материалы на основе серебра с никелем, оксидом кадмия и другими добавками, а также медно – графитовые материалы.

Скользящие контакты широко используют в приборах, коллекторных электрических машинах и электрическом транспорте (токосъемники). Представляют собой пары трения, должны обладать высокими антифрикционными свойствами, причем контакт должен быть мягче, чем контртело и не изнашивать его, так как заменить скользящий контакт проще, чем коллектор или привод. Для обеспечения антифрикционности, в состав смесей для скользящих контактов вводят твердые смазки – графит, дисульфид молибдена, гексагональный нитрид бора. Большинство контактов электрических машин изготавливают из меди с графитом. Для коллекторных пластин пантографов используют бронзографитовые контакты. Контакты приборов изготавливают из серебра с графитом, серебра с палладием, никелем, дисульфидом молибдена, вольфрама с палладием.

 

Магнитные порошковые материалы.

 

Различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы.

Магнитомягкие – это материалы с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, быстро намагничиваются и быстро теряют магнитные свойства при снятии магнитного поля. Основной магнитомягкий материал – чистое железо и его сплавы с никелем и кобальтом. Для повышения электросопротивления легируют кремнием, алюминием. Для улучшения прессуемости сплавов вводят до 1 % пластмассы, которая полностью испаряется при спекании. Пористость материалов должна быть минимальной.

Отдельно выделяется группа магнитодиэлектриков – это частицы магнитомягкого материала, разделенные тонким слоем диэлектрика – жидкого стекла или синтетической смолы. Таким материалам присущи высокое электросопротивление и минимальные потери на вихревые токи и на перемагничивание. Изготавливаются в результате смешивания, прессования и спекания, особенностью является то, что при нагреве частицы магнитного материала остаются изолированными и не меняют формы. За основу используют чистое железо, альсиферы.

Магнитотвердые материалы (постоянные магниты) – материалы с малой магнитной проницаемостью и большой коэрцитивной силой.

Магниты массой до 100 г изготавливают из порошковых смесей такого же состава, как литые магниты: железо – алюминий – никель (альни), железо – алюминий – никель – кобальт (альнико). После спекания этих сплавов обязательна термическая обработка с наложением магнитного поля.

Высокие магнитные свойства имеют магниты из сплавов редкоземельных металлов (церий, самарий, празеодим) с кобальтом.

Контрольні питання

1. Как классифицируются магнитные порошковые материалы?

2. Охарактеризуйте электротехнические порошковые материалы.

3. Охарактеризуйте спеченные цветные металлы.

4. Как классифицируются конструкционных порошковые материалы?

5. Охарактеризуйте спеченные стали?

6. Дайте определение фаза.

7. Дайте определение компонента.

8. Дайте определение система.

9. Как классифицируются в зависимости от характера взаимодействия компонентов сплавы:

10. Как классифицируются сплавы твердых растворов?

11. Охарактеризуйте принцип построения диаграмм состояния.

12. Какие материалы относятся к порошковой металлургии?

13. Охарактеризуйте пористые порошковые материалы.

Лекція 3

Тема: «Дослідження стану «залізо-цементи».

План

1. Історична довідка про будування діаграми залізо – цементит.

2. Значення діаграми.

3. Система залізовуглецевих сплавів

4. Сталь та білий чавун

5. Фази в системі Fe-Fe₃C

6. Характеристика окремих крапок та ліній діаграми

7. Характеристика частин діаграми

Основними технічними сплавами, що застосовуються у сучасній техніці, є сплави заліза з вуглецем — сталі та чавуни.

Залізо — метал сріблястого кольору, атомний номер 26, температура плавлення 1539 °С. Чисте залізо містить 99,999 % Fе, технічне — залізо 99,8-99,9 % Fе.

Залізо існує у двох кристалічних формах — ОЦК і ГЦК. При температурі нижчій від 911 °С існує α-залізо. При температурі вищій за 1392 °С залізо позначають як δ-залізо. Кристалічна решітка α і δ-заліза ОЦК.

700 600

500 -

400 -

300 ■

200 -

100 -

П еріод решітки а-залізадо температури911 °С становить 2,86 , вище температури 1392 °С — 2,93 Густина α-заліза 7680 кг/м³. До температури 768 ⁰С (точка Кюрі) а-залізо магнітне, вище цієї температури — немагнітне (β-залізо), γ-залізо існує в інтервалі температур 911 — 1392 °С. Кристалічна решітка γ -заліза ГЦК з періодом 3,65 . Густина γ -заліза (отримана екстраполяцією при 20 °С) дорівнює 8100 кг/м³. γ -залізо немагнітне.

Рис. 60. Крива охолодження заліза

Крива охолодження заліза показана нарис. 60.

Вуглець — неметалевий елемент, атомний номер 6, густина 2500 кг/м³, температура плавлення 3500 °С. Вуглець поліморфний. У звичайних умовах він є модифікацією графіту, але може існувати і як метастабільна модифікація алмазу. Вуглець розчиняється в залізі в рідкому і твердому станах, а також може знаходитись у вигляді хімічної сполуки (цементиту), а у високовуглецевих сплавах у формі графіту.

Компонентами системи Fе — Fе₃С є залізо і цементит. Фази: рідкий сплав, ферит, аустеніт і цементит.

Рідкий сплав існує вище лінії ліквідусу. Залізо добре розчиняє вуглець і утворює однорідну рідку фазу, в твердому стані — ферит, аустеніт, цементит.

Ферит — твердий розчин вуглецю в а-залізі. Розрізняють низькотемпературний δ-ферит з розчинністю 0,02 % і високотемпературний δ -ферит з межовою розчинністю 0,1 %. Ферит м'який НВ 80-100, пластичний, має чітко виражені магнітні властивості, добре проводить тепло та електрику, решітка фериту кубічна, об'ємоцентрована.

Аустеніт — твердий розчин вуглецю в γ -залізі, має кубічну гранецентровану решітку. Межова розчинність вуглецю в γ -залізі 2,14%. Аустеніт м'який (НВ 200), магнітних властивостей не має.

Цементит — хімічна сполука заліза з вуглецем — карбід заліза Fе₃С із вмістом вуглецю 6,67 %. Цементит дуже твердий і крихкий НВ 800, магнітні властивості виражені слабко, погано проводить електричний струм і теплоту, кристалічна решітка складна. Температура плавлення цементиту точно не встановлена у зв'язку з можливістю його розпаду.

Структурні складові сплавів заліза (сталей і чавунів) — перліт і ледебурит.

Перліт — це евтектоїдна суміш фериту та цементиту у вигляді дуже тонких пластинок або зерен. Евтектоїдна суміш утворюється внаслідок розпаду аустеніту при температурі 727 °С. Вміст вуглецю у перліті складає 0,8 %. Перліт буває пластинчастий або зернистий, що залежить від умов його утворення.

Звичайно в пластинчастому перліті цементит розташований у фериті пластинами. У зернистому перліті цементит має кулясту форму і знаходиться в фериті у вигляді зерен. Зернистий перліт можна отримати при тривалій витримці пластинчастого перліту при температурі близько 700 °С.

Механічні властивості перліту залежать від ступеню подрібнення часток цементиту,

Ледебурит — евтектична суміш аустеніту та цементиту, що містить 4,3 % вуглецю. Ледебурит утворюється при затвердінні залізовуглецевих сплавів при температурі 1147 °С. У інтервалі температур від 1147 °С до 727 °С він являє собою механічну суміш зерен аустеніту та пластин первинного цементиту, що випав із розплаву; нижче 727 °С ледебурит складається із перліту, що утворився при розпаді аустеніту і первинного цементиту.

Ледебурит характеризується високого твердістю НВ 700 і крихкістю.

Діаграма стану системи залізо — цементит (вуглець) дає уяву про фазовий склад і структуру сплавів з концентрацією від чистого заліза до цементиту — 6,67% С (див. рис. 1), вісь абсцис (концентраційна вісь) тут подвійна: вміст цементиту Fе₃С і вміст вуглецю С.

Діаграмою стану системи Fе — Fе₃С користуються при дослідженні сталі та білих чавунів, тобто таких сплавів, у яких немає вільного вуглецю (графіту). Система Fе — Fе₃С метастабільна.

Система Fе—С повністю рівноважна. Діаграмою стану системи Fе—С користуються при вивченні структур залізовуглецевих сплавів, у яких вуглець:диться у вигляді графіту (наприклад, сірих, половинчастих, ковких і високоміцних чавунів).

Необхідно зазначити, що помноживши вміст вуглецю на коефіцієнт 15, можна встановити концентрацію цементиту в сталі і чавуні у відсотках за масою об'ємом.

Лінія АВСD є ліквідусом системи, лінія АНJЕСF — солідусом. Точка А (1539 °С) відповідає температурі плавлення заліза, а точка D (1252 °С) — температурі плавлення цементиту. Точки N (1392 °С) і G (911 °С) — точки поліморфного перетворення відповідно ⇄ , ⇄ . Відрізок АВ відповідає температурі початку кристалізації -фериту Ф з рідкого сплаву; відрізок ВС — температурі початку кристалізації аустеніту А з рідкого сплаву Р; відрізок СD - температурі початку кристалізації первинного цементиту Ц з рідкого сплаву лінія АН є температурною межею області рідкого сплаву і кристалів -фериту Ф нижче цієї лінії існує тільки -ферит.

Три горизонтальні лінії на діаграмі НJВ, ЕСF і РSК відповідають трьом нонваріантним реакціям. При 1499 °С відбувається перитектична реакція Р_в+Ф_н=А_J — лінія НJВ, у результаті якої утворюється аустеніт. Реакція ця остерігається тільки в сплавів, у яких вміст вуглецю знаходиться в межах від 0,1 до 0,5 %.

При 1147 °С протікає евтектична реакція Р_с→А_Е+Ц_F утворенням евтектичної суміші — горизонталь ЕСF. Евтектичну суміш аустеніту й цементиту називають ледебуритом. Реакція проходить у всіх сплавах системи, що містить вуглецю понад 2,14 %.

При 727 °С протікає евтектоїдна реакція А₅ → Ф_Р + Ц_к, у результаті якої утворюється перліт П — горизонталь РSК. Суміш фериту та цементиту називають перлітом. Евтектоїдного перетворення зазнає й аустеніт, що входить до складу ледебуриту. При температурі нижче 727 °С ледебурит являє собою механічну суміш перліту та цементиту, іноді його називають ледебуритом перетворення Л.

Розглянемо послідовність перетворення сплаву Fе—С концентрації 1, який стать менше 0,1 % вуглецю, наприклад, 0,05% (рис. 2), ліва верхня частина діаграми стану системи залізо — цементит (рис. 1).

У точці 1 починають виділятися кристали твердого розчину -фериту (рис. 2). З пониженням температури число кристалів збільшується, концентрація рідини змінюється по лінії АВ, а вміст твердої фази по лінії АН. У точці а концентрація рідини відповідає проекції точки с на вісь абсцис, а твердої фази — проекції точки b на цю саму вісь. Кількість твердої фази визначиться відношенням відрізків ас/bс,кількість рідкої фази — відношенням відрізків bа/bс. У точці 2 кристалізація завершується, утворюється однорідний твердий розчин δ-фериту. Далі від точки 2 до точки 3 не проходить жодних перетворень, сплав просто охолоджується.У точці 3 починається перебудова решітки фериту ОЦК на решітку аустеніту ГЦК, і ця перебудова (перетворення) закінчується в точці 4. Концентрація фаз змінюється відповідно з положенням ліній НN і JN. У точці dконцентрація δ - фази визначається

Сплав ⁴ 0,15%С

1392

К, 0,10 0,16

Рис. 62. Частина діаграми системи Fе—С. Первинна кристалізація маловуглецевих сплавів

проекцією точки е, концентрація γ-фази — проекцією точки f, кількість фаз — відношенням відрізків, тобто δ/γ= df/еd. Охолодження сплаву Fе—С із вмістом вуглецю 0,16% протікає спочатку так само, як і сплаву 1, і починається з виділення δ-фази змінної концентрації (рис. 2), точка 5. У точці J при 1499°С рідина приймає концентрацію В, а δ-фаза — концентрацію Н; і починає утворюватись γ-фаза концентрації J. Через наявність трьох фаз перетворення протікає при сталій температурі. Відрізок 6—6' є горизонтальним. У результаті реакції Р_В + Ф_Н → А_J утворюється аустеніт γ-фаза концентрації 0,16% С. При вмісті вуглецю менше або більше 0,16%, тобто лівіше або правіше точки J, після завершення перитектичної реакції залишаються в надмірі δ-фаза або рідина, яка при подальшому охолодженні перетворюється на γ-фазу.

Розглянемо частину діаграми стану Fе — Fе₃С, що стосується вмісту 2,14—6,67 % С (рис. 3). Крива охолодження сплаву типова для всіх сплавів з концентрацією 2,14—4,3 % С, тобто розташованих від точки Е до точки С. Кристалізація зерен аустеніту починається в точці 1 і завершується в точці 2. З пониженням температури склад аустеніту змінюється по лінії солідусу від точки а до точки Е, а склад рідкої фази - від точки В до точки С. При температурі 1147 °С рідина, що залишилася, зазнає евтектичного перетвореная Р_С→А_Е +Ц_Е — точка 2. При температурах між лініями ЕСF і РSК сплав має структуру А + Л(А + Ц) + Ц_п. І в цих сплавах утворюється фаза Ц_и, оскільки під час охолодження склад аустеніту також змінюватиметься по лінії ЕS (у бік зменшення вмісту вуглецю). При температурі 727 °С відбувається евтектоїдне перетворення А_s→Ф_Р +Ц_к — лінія РSК — нижче цієї температури сплав матиме структуру П + Л(П + Ц) + Ц_и.

При охолодженні сплаву VI (4,3%) при температурі 1147 °С вся рідина перетворюється на ледебурит — точка С, який з пониженням температури зазнає перетворень, аналогічних тим, що відбулися у сплаві VII.

2.14 4,3 С, % т

Рис. 3 - Частина діаграми системи Ре—С (від 2 до 6,67 % С). ^ ,. •-

У сплавах з вмістом вуглецю від 4,3 % до 6,67 % (сплав VII) у точці 1 починається утворення кристалів цементиту Ц_г . У точці 2 протікає евтектичне перетворення. Структура сплаву між лініями ЕСF і РSК — Ц₁ + Л(А + Ц). При 727⁰С зазнає евтектоїдного перетворення аустеніт. Остаточна структура сплаву нижче 727 °С Ц + Л(П + Ц).

Хімічні та фізичні властивості фаз Ц_I Ц_II і Ц_III однакові. Сильно позначається механічних властивостях сплавів різниця в розмірах і розташуванні цих виділень.

Усі сплави системи Fе — Fе₃С діляться на дві великі групи — сталі та чавуни.

ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ:

1. Охарактеризувати ледебурит.

2. Охарактеризувати перліт.

3. Охарактеризувати ферит.

4. Охарактеризувати цементит.

5. Яке призначення лінії ліквидус?

6. Яке призначення лінії солідус?

7. Яка температура плавлення чистого заліза?

8. Дайте визначення сталі.

9. Дайте визначення чавуну?

10. Яка класифікація по діаграмі сталі?

11. Яка класифікація по діаграмі чавуну?

Лекція 4

Тема: «Кольорові метали та сплави

План

1. Фізичні властивості титану.

2. Титанові сплави.

3. Мідь.

4. Латуні.

Титан є одним з найпоширеніших елементів земної кори (0,57 %), і займає з цього приводу четверте місце серед металів після А1 (8,13 %), Fе (5 %), Мg (2,1 %). Він був відкритий у 1791 р. англійським аматором-мінерологом У. Грегором і довгий час не знаходив практичного застосування. Вважали, що це крихкий і маломіцний метал, який не може бути використаний у конструкціях. Практично титан почали застосовувати лише в 1948 р. Температура плавлення титану 1668 °С, Переваги титану порівняно з іншими металами такі: мала густина 4505 кг/м³, надзвичайно висока корозійна стійкість (більша, ніж нержавіючої сталі), значна жароміцність і велика питома міцність: відношення границі міцності до густини ( ), де ρ — густина в кг/м³, g — коефіцієнт переводу кг/м³ в н/м³. За питомою міцністю титанові сплави перевищують конструкційні сталі й алюмінієві сплави (табл. 1).

Таблиця 1 – Питома міцність матеріалів

Матеріал	Титановий сплав ВТ15	Алюмінієвий сплав В96	Сталь 03Н18К9М5Т
	30	23	27

Завдяки своїм властивостям титан і його сплави с цінним конструкційним матеріалом в авіаційній промисловості, ракетобудуванні, хімічній промисловості.

Титан — поліморфний матеріал та існує у двох алотропічних видозмінах — α і β. Температура поліморфного перетворення α⇄β становить 882 °С. α-титан нижче 882 °С має гексагональну решітку, β-титан понад 882 °С має решітку об'ємоцентрованого куба.

Технічний титан виготовляють у вигляді листів, прутків, дроту, труб і т.д. Він буває трьох марок, а саме: ВТ1-00, що містить 99,53 % Ті, ВТ1-0 - 99,48 % Ті, ВТ1-1 - 99,44 % Ті. Його механічні показники: σ_в = 294-490 МПа, δ = 20—30%.

Для отримання титанових сплавів з більш високими характеристиками, титан легують різними металами — А1, Сr, Fе, Мп, Мо, Sп, V (рис. 1). Легування змінює положення температури алотропічного перетворення титану (α→β) (рис. 2). Елементи, що підвищують температуру (α→β) — перетворення (рис. 2, а) і сприяють стабілізації α-твердого розчину, називають α-стабілізаторами (А1, О, N), Елементи, що понижують температуру (α→β) — перетворення (рис. 2, б, в) та сприяють стабілізації β-твердого розчину, називають β-стабілізаторами (Мо, V, Сr, Fе, Мп).

Рис. 1 Вплив легуючих елементів і домішок на механічні властивості Ті:

а — елементи, що утворюють тверді розчини проникнення;

6 — елементи, що утворюють тверді розчини заміщення

У сплавах Ті з Сr, Мп, Fе відбувається евтектоїдний розпад β-фази (рис. 2, в) з утворенням хімічних сполук — інтерметалідів (титанідів).

Залежно від будови титанові сплави класифікують на три групи: сплави із структурою α-твердого розчину, сплави з мішаною структурою (α + β)-твердого розчину і сплави із структурою β-твердого розчину.

Рис. 2 – Вплив концентрації (с) легуючих елементів на алотропічні перетворення

У промисловості найчастіше застосовують в основному сплави із структурою α і (α + β). Усі промислові сплави титану, як правило, містять алюміній. Система Ті—АІ для сплавів титану має таке саме значення, як для сплавів заліза система Fе—Fе₃С. Алюміній підвищує границю міцності, але зменшує пластичність сплавів.

Титан і α-сплави титану не зміцнюються термічною обробкою і їх піддають лише рекристалізаційному відпалу. Температура відпалу має бути вищою за температуру рекристалізації, але не повинна перевищувати температуру перетворення α + β→β, оскільки в β-області відбувається сильний ріст зерна. Рекристалізаційний відпал проводять переважно при температурі 750—850 ⁰С, (α+ β)-сплави на відміну від α-сплавів можуть бути зміцнені гартуванням з наступним старінням. Загартовують ці сплави

Рис.3 – Фазовий склад сплавів титану після гартування із β – області в залежності від кількості β-стабілізатора

здебільшого від температур, які відповідають (α + β)-області (рис. 3). При охолодженні із швидкістю вище критичної сплавів, що нагріті до області β- фази, протікає мартенситне перетворення в інтервалі температур М_п—М_к. При цьому утворюється голчаста структура мартенситного типу, яку позначають α'. Решітка α'-фази, як і α-фази, гексагональна і являє собою пересичений твердий розчин на основі α-фази. У процесі подальшого старіння формується структура із суміші α' α-фаз. При цьому міцність дещо знижується, але зростає пластичність.

У сплавах з β-ізоморфними стабілізаторами при гартуванні β-фаза змінюється титановим мартенситом α"із ромбічною решіткою. Фаза α "відноситься до самостійних мартенситних фаз. Збільшення кількості α"-фази супроводжується зменшенням міцності і твердості сплавів та підвищенням їхньої пластичності. В більшості випадків гартування використовують як попередню стадію перед старінням.

α + β- сплави: ВТ6, ВТ8, ВТ14, що містять 5,5 % АІ, 1 % V, 3 % Мо.

ВТ14 — гартування з 860—880 ⁰С у воді і наступне старіння при 480— 500 °С 12-16 год.

α-сплави: ВТ5, ВТ5-1 та ін.

Мідь відноситься до числа металів, відомих ще з глибокої давнини. Ранньому знайомству людини з міддю сприяло те, що вона зустрічається в природі у вільному стані у вигляді самородків.

Мідь — пластичний метал. Густина міді 8960 кг/м³, температура плавлення 1083 °С, кристалічна решітка — гранецентрований куб (ГЦК). Мідь є важливим провідниковим матеріалом, за електропровідністю лише незначно поступається сріблу. Тому приблизно половину всієї міді споживає електрорадіотехнічна промисловість для виготовлення різних провідників. Широке застосування вона знаходить в електровакуумній техніці. Мідь добре протидіє корозії, легко обробляється тиском, але погано обробляється різанням.

Електропровідність міді суттєво понижується при наявності навіть дуже невеликої кількості домішок. Тому як провідниковий матеріал використовують електролітичну мідь марок МІ (99,9 % Си), М0 (99,97 % Си) і особливо чисту мідь М00 (99,99 % Си). Залежно від механічних властивостей розрізняють мідь тверду, нагартовану (мідь МГ) і мідь м'яку, відпалену (мідь ММ).

Міцність і технічні властивості міді сильно понижуються при наявності Ві, РЬ, S та О, які є шкідливими домішками. Дія Ві та РЬ аналогічна дії S у сталі: вони утворюють з Си легкоплавкі евтектики, розташовані по межах зерен, що спричиняє руйнування міді під час обробки тиском у гарячому стані. Тому допустимим вважають вміст не більше 0,002 % Ві та 0,005 % РЬ. S та О знижують пластичність міді.

Через недостатню міцність міді = 160 МПа у відпаленому стані чисту мідь як конструкційний матеріал використовують рідко. Широке застосування в промисловості мають сплави з іншими елементами — латуні та бронзи.

Латуні — сплави, в яких основним легуючим елементом є цинк. У системіСи—Zn (рис. 1) утворюється шість твердих розчинів: та ін. Практичне значення мають сплави, що містять приблизно до 46 % Zn, тобто -латуні і -латуні. Вартість латунних сплавів порівняно з міддю менша, оскільки цинк значно дешевший за мідь. Латуні застосовують у приладобудуванні, машинобудівній промисловості і найширше в хімічному машинобудуванні. Механічна міцність латуні вища, ніж міді; вона добре обробляється різанням.

При вмісті до 36 % Zn утворюється -фаза ( -латуні), яка є твердим розчином заміщення міді цинком, а при концентрації 39 — 46 % Zn двофазні ( )-латуні. Однофазні латуні характеризуються високою пластичністю. Вони добре деформуються і в холодному, і в гарячому станах. Двофазні латуні більш міцні і менш пластичні, ніж однофазні завдяки -фазі, яка є твердішою та крихкішою. Ці латуні звичайно піддають гарячій обробці тиском. Усі латуні за технологічною ознакою ділять на деформовні, з яких роблять листи, стрічки, труби, дріт, і ливарні — для фасонного лиття.

Для підвищення механічних показників і хімічної стійкості латуні до них часто вводять легуючі елементи: алюміній, нікель, марганець, кремній та ін.

Латуні маркують буквою «Л» і цифрою, що відповідає середньому вмісту міді. Наприклад, Л80 — латунь, що містить 80 % Си і 20 % Zn, У марках латуні складнішого складу за буквою «Л» іде скорочена назва легуючих елементів; «О» — олово, «С» — свинець, «Ж» — залізо, «Мц» — марганець, «К» — кремній, А — алюміній і т. д., а після цього цифри, що вказують на вміст Си та інших компонентів. Так, у латуні ЛМцС58-2-2 міститься 58 % Си, 2 % Мn і 2 % РЬ (решта Zп). Крім названих латуней широко застосовуються ще й такі латуні, як Л70, Л90, Л96 тощо.

Рис. 1 - Діаграма стану Сu-Zn(а) і залежність механічних властивостей

литої латуні від вмісту Zn (б)

Негативною властивістю латуней, що містять понад 20 % Zn, а особливо, якщо — понад 30 % Zn, є їх схильність розтріскуватися при витримці у вологій атмосфері.

Алюміній — другий, широко поширений (після заліза) метал у сучасній техніці. Датський учений X. Ерстед у 1825 році, діючи амальгамою калію на безводний хлористий алюміній А1С1₃, і потім відганяючи ртуть, дістав відносно чистий алюміній. Температура плавлення алюмінію 660 °С, його кристалічна решітка — гранецентрований куб (ГЦК), густина 2699 кг/м³. Аl має високу електропровідність, яка складає 65 % від електропровідності Си. Залежно від чистоти розрізняють алюміній особливої чистоти А999 (99,99 % Аl), високої чистоти А995 (99,995 % АІ) і технічної чистоти А8, А7, А5 і т. д. Чистий Аl важко піддається обробці різанням.

Технічний АІ виготовляють у вигляді листів, профілів, прутків, дроту та інших напівфабрикатів і маркують АД0, АД0. Алюміній має високу корозійну стійкість внаслідок утворення на його поверхні оксидної плівки А1₂О₃. Механічні властивості відпаленого алюмінію високої чистоти такі: σ_в= 50 МПа, δ= 50%, а технічного алюмінію σ_в= 80 МПа, δ=35%. Технічний алюміній застосовують для виготовлення трубопроводів, палубних надбудов морських та річкових суден, кабелів, електропроводів, шин, корпусів годинників, фольга, посуду тощо. Ще ширше використовують сплави алюмінію.

Найбільше застосовують сплави Аl—Сu, Аl—Sі, Аl—Мg, Аl—Сu— Мg, Аl—Сu—Мg—Sі, Аl—Zп—Мg—Сu. Усі сплави алюмінію можна розділити на дві групи:

• деформовні, призначені для виготовлення напівфабрикатів (листів, прутків, профілів, труб і т, ін.), а також поковок і штамповок.

• ливарні, призначені для фасонного литва.

У свого чергу, деформовні сплави ділять на сплави, що не зміцнюються термічною обробкою, і сплави, які термічною обробкою зміцнюються. Деформовні алюмінієві сплави, що не зміцнюються термічною обробкою, характеризуються невисокою міцністю, але доброю пластичністю δ = 40%. До них відносяться сплави алюмінію з Мп та Мg (вміст останнього до 6 %). Поміж сплавів алюмінію з Мп і Мg широкого застосування набули сплав АМц, що містить 1,0—1,6 % Мп і сплави АМг2, АМг5, які містять відповідно 1,8—2,6 і 4,8— 5,8 % Мg та 0,2-0,6 % і 0,3-0,8 % Мп. Ці сплави майже завжди однофазні і мають структуру твердого розчину (рис. 1). Вони добре зварюються, стійкі проти корозії і застосовуються для малонавантажених деталей, які виготовляють холодним штампуванням та глибокою витяжкою, а також для зварних конструкцій. Зміцнення сплавів можливе лише шляхом холодного деформування. Сплави на алюмінієво-магнієвій основі з невеликими добавками титану, берилію, наприклад сплав АМг6 добре оброблюється тиском.

Деформовні алюмінієві сплави, що зміцнюються термічною обробкою, це передусім дюралюміни, авіаль що містить 0,45—0,9 % Мg, 0,5-1,2 % Sі, 0,2-0,6 % Сu, 0,15-0,35 %Мп, Fе<0,5%, Zп<0,1 %. Такі сплави мають у своєму складі по три-чотири_; а деколи і більше компонентів. їх здатність зміцнюватись термообробкою можна пояснити на прикладі подвійної діаграми стану системи Аl—Сu (див. рис. 81), бо майже в усіх сплавах даної групи звичайно присутня мідь. Сu утворює з Аl твердий розчин з граничною розчинністю 5,6 % при температурі 548 °С. З пониженням температури розчинність міді в алюмінії швидко зменшується. Сплави, що містять кілька десятих часток відсотка міді, як правило, мають однофазну структуру твердого розчину міді в алюмінії.

Якщо двофазний сплав з 5,6 % Сu нагріти понад 548 °С, то частинки СuАl₂ розчиняться в алюмінії і сплав набуде однофазної структури твердого розчину. Швидке охолодження такого сплаву (гартування) не дає можливості виділитися фазі СuАl₂ з твердого розчину, внаслідок чого сапав зміцнюється.

Деформівні алюмінієві сплави піддаються гартуванню та старінню. Температура гартування сплавів Аl—Сu (рис. 2) визначається лінією аbс, яка проходить вище лінії межової розчинності для сплавів, що містять < 5,6 % Сu, і нижче евтектичної лінії (548 °С) для сплавів, що містять понад 5,6% Сu. При нагріванні лід гартування сплавів з вмістом до 5,6 % Сu залишкова фаза СuАl₂ повністю розчиняється і при подальшому швидкому охолодженні фіксується лише пересичений α-твердий розчин, який містить стільки міді, скільки її взагалі є у сплаві, При вмісті понад 5,6% Сu у структурі загартованих сплавів утворюється пересичений α-твердий розчин, який відповідає точці b, і нерозчинні при нагріванні

Рис. 1 - Діаграма стану сплавів системи А1-Мg а і залежність механічних властивостей алюмінію від вмісту магнію б

Рис. 2 - Діаграма стану і температура гартування сплавів системи Аl—Сu

300

200

по масі

кристали інтерметалідів (тобто сполуки СuАl₂). Тривалість витримки при температурі гартування, необхідна для розчинення інтерметалідних фаз, залежить від структурного складу сплаву, типу печі і товщини виробу (загалом від 10 хв. до 3,5 год, для фасонних відливок 2—15 год).

Після гартування сплави піддають старінню — витримці при кімнатній температурі кілька діб (природне старіння) або 10—24 год. при підвищеній температурі (штучне старіння).

Дюралюміни — сплави на основі системи Аl—Си—Мg, куди з метою підвищення корозійної стійкості вводять Мп. Найбільш відомі сплави Д18, що містить 2,2-3,0 % Сu, 0,2-0,5 % Мg та Д16, що містить 3,8-4,6 % Сu, 1,2-1,5 % Мg, 0,3-0,5 % Мп.

Шкідливою домішкою для дюралюмінів є Fе, вміст якого не повинен перевищувати 0,5—0,6 %.

Дюралюміни добре деформуються і в гарячому, і в холодному стані; зміцнюють їх звичайно у воді та природним старінням.

Для захисту листового дюраіюміну від корозії, яка навіть при додаванні Мп є значною, широко застосовують плакування чистим алюмінієм. Плакування здійснюють сумісним гарячим прокатуванням злитків дюралюміну, обкладеного листами (товщиною до 6 мм) чистого алюмінію марок А8, А85. Сплави авіаль (АВ та ін.) поступаються дюралюмінам у міцності, проте вони пластичніше як в гарячому, так і в холодному стані. Використовують сплави для легких конструкцій, які зазнають гнуття та інших деформацій при монтажі. Ці сплави містять такі самі елементи, що і дюралюміни, проте у меншій кількості, і додатково леговані кремнієм.

Найміцнішими алюмінієвими сплавами є сплави типу В95, що містить 1,4-2,0 % Сu, 1,8-2,8 % Мg, 0,2-0,6 % Мп, 5-7 %Zп і 0,01-0,25 % Сr. Але вони менш корозійностійкі, ніж дюралюміни, й їхні характеристики міцності сильно понижуються при температурі 150 °С.

Відомо багато інших складних деформовних сплавів для кування, штампування та роботи в умовах підвищених температур АК4, АК6, АК8, АК4-1.

Ливарні алюмінієві сплави прийнято маркувати двома літерами АЛ (алюміній ливарний).

Ливарні сплави алюмінію з магнієм, міддю та іншими елементами, піддають термічній обробці, оскільки їх властивості при цьому змінюються в дуже широких межах. Ливарних сплавів досить багато, але найбільш відомі серед них силуміни Аl—Sі і сплави алюмінію з міддю Аl—Сu. Типовим силуміном є сплав АЛ2, який містить 10—13 % Sі. Він має високу рідкотекучість, малу усадку, стійкий проти корозії.

Спечені алюмінієві стави. Широко використовуванні сплави на основі Аl — Аl₂О₃ дістали назву САП (спечений алюмінієвий порошок). Ці сплави отримують шляхом холодного брикетування алюмінієвого порошку (пудри), вакуумного відпалу і подальшого спікання нагрітих брикетів під тиском. САП складається з дисперсних лусок оксиду А1₂О₃. Частинки А1₂О₃ ефективно гальмують рух дислокацій і підвищують міцність сплаву. Вміст оксиду А1₂О₃ в САП коливається від 6—9 % (САП-1) до 18—22 % (САП—4). Із збільшенням вмісту А1₂О₃ границя міцності підвищується від 30—32 кг/мм² (САП-1) до 44 —46 кг/мм² (САП-4), а відносне видовження відповідно знижується від 5—6 до 1,5—2,0 %.

ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ:

1. Охарактеризувати фізичні властивості титана.

2. Що виготовляють з технічного титану?

3. Які легуючі елементи використовують для отримання титанових сплавів?

4. Які елементи підвищують температуру перетворення?

5. Які елементи понижують температуру перетворення?

6. Як класифікують титанові сплави залежно від будови?

7. Яку термообробку використовують для титанових сплавів? Охарактеризувати фізичні властивості міді.

8. Як класифікуються алюмінієві сплави?

9. Що необхідно зробити для підвищення механічних показників латуні?

10. Привести приклади використання латуні.

11. Яку термообробку проводять для латуні? Охарактеризувати фізичні властивості алюмінію.

12. Як класифікуються алюмінієві сплави?

13. Як класифікуються деформовані сплави?

14. Привести приклади використання деформованих сплавів.

15. Яку термообробку проводять для деформованих алюмінієвих сплавів?

16. Охарактеризувати дюралюміни.

17. Охарактеризувати ливарні алюмінієві сплави.

18. Охарактеризувати спечені алюмінієві сплави.

Лекція 5

Тема: «Загальні положення термічної обробки сталі»

План

1. Загальні положення.

2. Перетворення перліту в аустеніт.

3. Ріст зерна аустеніту при нагріві.

Термічна обробка металів — це теплова обробка, з допомогою якої змінюють структуру та фізико-механічні властивості металів у бажаному напрямку.

Змінюючи температуру нагрівання, тривалість витримки при даній температурі, швидкість нагрівання й охолодження, можна надавати сплавам різних структур та властивостей.

Основи термічної обробки були розроблені основоположником сучасного металознавства Д. К. Черновим. Подальший розвиток теорія й практика термічної обробки отримала в працях С. С. Штейнберга, А. А. Бочвара, Г. В. Курдюмова, -. А. Мінкевича, О. П. Гуляєва, В. Д. Садовського, К. Ф. Стародубова, Ю. М. Тарана, З Н. Гріднєва, С. С. Дьяченко та інших учених.

Основні фактори дії при термічній обробці — температура і час, тому режими термічної обробки представляють графіком у координатах температура t час τ. Якщо термічна обробка складається лише з однієї операції, вона називається простою (рис. 1, а), якщо з кількох — складною (рис. 1, б).

Рис. 1 - Графік термічної обробки сталі: а — простої; б — складної

Постійна швидкість нагрівання або охолодження представляється на графіку прямою лінією з певним кутом нахилу, при цьому кут нахилу характеризує швидкість нагрівання або охолодження (α, β). Загальна тривалість термічної обробки металу включає в себе час нагрівання до заданої температури т,, час витримування при цій температурі τ₂—τ₁, і час охолодження до кімнатної температури τ₃—τ₂.

У результаті термічної обробки в сплавах відбуваються структурні зміни Після термообробки метали і сплави можуть знаходитись у зрівноваженому (стабільному) і не зрівноваженому (метастабільному) станах. При охолодженні деталей разом із піччю в них практично повністю проходять процеси вторинної кристалізації і пов'язані з ними дифузійні перетворення, і метал знаходиться в стані близькому до зрівноваженого (стабільного). При охолодженні на повітрі в металі відбуваються перетворення, що наближають його до зрівноваженого стану. При швидкому охолодженні (в мастилі, воді) в металі не встигають пройти дифузії процеси і пов'язані з ними перетворення, тому його стан стає не зрівноваженим.

Розрізняють три основні групи термічної обробки металів і сплавів: власне термічна обробка (ТО); термомеханічна обробка (ТМО); хіміко-термічна обробка (ХТО).

Термічна обробка включає:

— відпал першого роду — нагрівання, витримка та охолодження металевого виробу з метою зняття залишкових напружень та викривлень кристалічної решітки після попередньої обробки. Його проведення не залежить від фазових перетворень;

• відпал другого роду — нагрівання вище температури фазового перетворення та повільне охолодження, яке приводить сплав до стану рівноваги. Мета такого відпалу — одержання стійкого фазового складу сплаву;

• гартування — нагрівання вище температури фазового перетворення, витримка при цій температурі та швидке охолодження з метою одержання] незрівноваженої структури, яка забезпечує підвищення міцності;

• відпуск — нагрівання загартованого сплаву до температури нижче критичної температури початку фазового перетворення та охолодження. В;:-: призводить до зняття залишкових напружень після гартування. Якщо відпуск

1147

727

0 0,8 2,14С,%

Рис. 2 - «Сталева» ділянка діаграми Fе—С

проводиться при кімнатній або трохи вищій температурі, він називається старінням.

Основою для розгляду видів термічної обробки сталі є частина діаграми Fе—С, що відповідає вмісту до 2,14 % С і яка розташована нижче лінії солідус (рис. 2).

Такі види термічної обробки, як гартування, нормалізація, відпал та ін. можна розглядати як комбінації з чотирьох головних перетворень, які відбуваються в сталі:

• перліту в аустеніт вище точки ЛІ при нагріванні: Ф + Ц→ А;

• аустеніту в перліт нижче точки А\ при охолодженні: А → Ф + Ц;

• аустеніту в мартенсит при температурах нижче температури метастабільної рівноваги цих фаз: А→М;

• розпадання мартенситу: М→ Ф + Ц.

Рис. 3 - Зміна вільної енергії аустеніту G_А, мартенситу G_м і перліту G_п із зміною температури

Ці перетворення можна ілюструвати графіком зміни вільної енергії залежності від температури (рис. 3). Як видно з графіка, при температурах вище точки А₁ найменшу вільну енергію аустеніт і тому йде перетворення пеліту в аустеніт. Нижче точки А₁ спостерігається зворотне перетворення.

При температурі нижче t₀ вільна енергія перліту мінімальна, але робота, яка необхідна для переходу аустеніту в мартенсит, менша, ніж для утворення перліту, і тому перехід аустеніту в мартенсит попереджує подальшому переходу мартенситу в перліт. Останній перехід енергетично вигідний у всьому температурному діапазоні.

ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ:

1. Дайте визначення термічної обробки.

2. Перелічити основні фактори термічної обробки.

3. Які зміни проходять у сплавах при термічній обробці?

4. Охарактеризувати відпал першого роду.

5. Охарактеризувати відпал другого роду.

6. Охарактеризувати гартування.

7. Охарактеризувати відпуск.

8. Які утворення відбуваються в сталі при термічній обробці?

Лекція 6

Тема: «Відпал сталі, гартування, відпуск»

План

1. Технологические возможности и особенности отжига, нормализации, закалки и отпуска

2. Отжиг и нормализация. Назначение и режимы отжиг первого рода.

3. Закалка

4. Способы закалки

5. Отпуск

6. Отпускная хрупкость

Различают следующие виды термической обработки:

1. Отжиг 1 рода – возможен для любых металлов и сплавов.

Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.

Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутреннее напряжения.

Основное значение имеет температура нагрева и время выдержки. Характерным является медленное охлаждение

Разновидностями отжига первого рода являются:

• диффузионный;

• рекристаллизационный;

• отжиг для снятия напряжения после ковки, сварки, литья.

2. Отжиг II рода – отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении.

Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.

Проводят отжиг второго рода с целью получения более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Характеризуется нагревом до температур выше критических и очень медленным охлаждением, как правило, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).

3. Закалка – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (рис. 12.1 (2, 2а)).

4. Отпуск – проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.

Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А (рис. 12.1 (3)). Скорость охлаждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.

Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.

Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).

Окончательная – формирует свойство готового изделия.