МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

УТВЕРЖДАЮ

проректор по учебной работе

профессор _________П.Б. Акмаров

«____» __________________2014г.

Фазовые и структурные превращения железоуглеродистых сплавов

Учебное пособие по фазовым и структурным превращениям железоуглеродистых сплавов при охлаждении от жидкого до твердого состояний

Пособие предназначено для студентов бакалавров направления

подготовки «Агроинженерия»

Ижевск

ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА

2014

УДК

ББК М

Учебное пособие составлено на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, утвержденного приказом Министерства образования Российской Федерации по направлению подготовки бакалавров «Агроинженерия» « 9» ноября 2009 г.

Учебное пособие рассмотрено и рекомендовано к изданию редакционно – издательским советом ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, протокол №­­­­­­­­­­­­­­­­­­__ от______20 г.

Рецензент:

А.Г. Иванов – к.т.н., доцент кафедры «Теоретическая механика и сопротивление материалов» ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА

Составители:

С.М. Стрелков– к.т.н, доцент кафедры «Эксплуатация и ремонт машин»

А.Г. Ипатов– к.т.н, доцент кафедры «Эксплуатация и ремонт машин»

Фазовые и структурные превращения железоуглеродистых сплавов: Пособие / Составители, С.М. Стрелков, А.Г. Ипатов; отв. за выпуск В.И. Широбоков. – Ижевск: ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2014.

В учебном пособии приводятся теоретические сведения и разъяснения процессов изменения структуры и свойств железоуглеродистых сплавов при их охлаждении в зависимости от концентрации легирующего компонента – углерода. Пособие предназначен для студентов 1 курса очной и заочной форм обучений при подготовке бакалавров направления «Агроинженерия»

УДК.

ББК.

© ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2014

© Стрелков С.М., Ипатов А.Г. сост., 2014.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ………………….4

2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ…………………………………………………….7

3. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ…………………………...16

4. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ Fe-C…………………………………...17

5. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ДОЭВТЕКТОИДНЫХ СТАЛЕЙ….27

6. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЗАЭВТЕКТОИДНЫХ СТАЛЕЙ….32

Введение

Приведенное подробное описание превращений изложено главным образом с целью упростить понимание сущности процессов, происходящих в сталях и чугунах при охлаждении их от жидкого состояния до твердого. При этом превращения рассмотрены на основе общепринятых представлений о строении металлов, основой которых является кристаллическая решетка. Авторы не ставили целью ограничение объема изложения, поэтому для достижения максимального понимания сущности процессов, отражаемых диаграммой, использовали повторения некоторых закономерностей.

1. Общие понятия о металлах и сплавах

Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли как конструкционного материала.

Основой современной технологии и техники является железо и его сплавы. В ряду конструкционных материалов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, не смотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. Чистые металлы находят довольно ограниченное применение, конструкционными материалами являются в основном металлические сплавы.

Сплавами называются вещества, получаемые сплавлением двух или более элементов, называемых компонентами. Преимущественное использование сплавов объясняется их более ценными, чем у чистых металлов, комплексами свойств (механических, технологических, физических и др.) К основным понятиям в теории сплавов относятся система, компонент, фаза. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является однокомпонентной, простой системой. Сплавы, состоящие из двух и более компонентов, являются сложными системами. Компонентами в металлических сплавах могут быть элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения, не диссоциирующие при нагревании.

Фазой является однородная часть системы, отделенная от другой части системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачком. В твердых сплавах фазами могут быть зерна чистого металла, зерна твердого раствора и зерна химического соединения.

В жидком состоянии почти все металлы растворяются друг в друге в любых соотношениях. Поэтому на практике с целью равномерного распределения веществ в сплаве прибегают к их расплавлению. Немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно, и очень немногие - не растворяются друг в друге.

При образовании сплавов в процессе их затвердевания взаимодействие компонентов может быть различное. Если в процессе кристаллизации сила взаимодействия между однородными атомами оказывается больше силы взаимодействия между разнородными атомами, то после кристаллизации образуется механическая смесь, состоящая из отдельных зерен чистых металлов, т.е. зерна одного чистого металла присутствуют рядом с зернами другого чистого металла.

В твердом растворе, как и в чистых металлах, атомы одного из металлов, входящих в состав сплава, образуют кристаллическую решетку. Атомы другого вещества в виде отдельных атомов распределяются в кристаллической решетке первого. Первое вещество является растворителем, а второе- растворимым. В зависимости от характера распределения атомов растворимого элемента различают твердые растворы внедрения, замещения Общим для всех типов растворов является то, что они однофазны и существуют в интервале концентраций.

В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента размещаются в кристаллической решетке металла растворителя. У металлов атомы в кристаллической решетке располагаются близко друг к другу и пустоты между ними малы. Размещаются в них только атомы с очень малыми размерами. В частности, в кристаллической решетке железа растворяются атомы таких элементов, как водород, азот, углерод, бор. Даже с такими элементами концентрация твердого раствора внедрения редко превышает 1-2%.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места основного металла в кристаллической решетке. Такие растворы могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью. Неограниченная растворимость может быть в случае, когда атомные радиусы элементов различаются не более чем на 8-15%. Кроме того, они должны иметь близкие по типу и параметрам кристаллические решетки. Этим требованиям удовлетворяют системы Fe-Cr, Cu-Ni, Co-Ni, Ti-V и некоторые другие.

Образование любого твердого раствора приводит к изменению параметров решетки металла - растворителя, в связи с чем свойства твердого раствора могут отличаться от свойств исходных компонентов.

Химические соединения образуются, как правило, между элементами, существенно отличающимися между собой по своему строению и свойствам, и только если сила взаимодействия между разнородными атомами больше сил взаимодействия между атомами однородными. Отличительными особенностями химических соединений от твердых растворов являются:

- строго определенные соотношения чисел атомов элементов, образующих соединение. Соотношения выражаются формулой вида А_NВ_M;

- наличие своей кристаллической решетки, отличной от решеток элементов, образовавших это соединение;

- значительное отличие свойств соединений от свойств исходных компонентов;

-наличие как у чистых элементов постоянной температуры плавления.

Кроме того, химические соединения по свойствам значительно отличаются от свойств исходных компонентов своей высокой твердостью -она очень высока, и хрупкостью - она очень низка.

Все основные необходимые для человечества свойства металлы и их сплавы имеют только в твердом состоянии, т. е после кристаллизации.