Учебное пособие 800438

Рис. 15. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения [1,3]

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (переменная растворимость)

На рис. 16 показана диаграмма состояния сплавов системы.

По внешнему виду данная диаграмма похожа на диаграмму состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Основное отличие состоит в том, что линии предельной растворимости компонентов не перпендикулярны оси концентрации. Также на диаграмме имеются области, в которых из однородных твердых растворов при понижении температуры выделяются вторичные фазы.

Линии диаграммы:

-df – это линия переменной предельной растворимости компонента В в компоненте А;

-ek – это линия переменной предельной растворимости компонента А в компоненте В.

31

Рис. 16. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (а) и кривая охлаждения сплава (б) [1,3]

На рис. 16 б приведена кривая охлаждения сплава I.

Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждает-

ся сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора α. На участке 1–2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре. При достижении температуры, соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры сплав охлаждается в твердом состоянии (состоит из однородных кристаллов твердого раствора α). При достижении температуры, соответствующей точке 3, твердый раствор α становится насыщенным компонентом В. При более низких температурах растворимость второго компонента уменьшается, поэтому из α-раствора начинает выделяться избыточный компонент в виде кристаллов βII. За точкой 3 сплав состоит из двух фаз: кристаллов твердого раствора α и вторичных кристаллов твердого раствора βII.

32

1.6.5.Свойства металлов и сплавов

Косновным свойствам металлов и сплавов относятся механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные [1,2].

Основные механические свойства - прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость. Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение

—это нагрузка (сила), отнесенная к площади поперечного сечения, МПа:

где Р — нагрузка, МН; F — площадь поперечного сечения, м2. Напряжение, возникающее в металле, вызывает деформацию. Деформация — это изменение формы и размеров тела под влиянием воздействия внешних сил или в результате фи- зико-механических процессов, возникающих в самом теле (например, фазовых превращений, усадки и т. п.). Деформация может быть упругая (которая исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (которая остается после снятия нагрузки). При дальнейшем увеличении нагрузки упругая деформация переходит в пластическую, при дальнейшем повы-

шении нагрузки происходит разрушение тела.

Прочность — это способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. Прочность определяют с помощью специальных механических испытаний образцов, изготовленных из исследуемого материала.

Для определения прочности при статических нагрузках к образцам применяют испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Прочность при статических нагрузках оценивается временным сопротивлением σв и пределом текучести σт; σв

— это условное напряжение, соответствующее наибольшей

33

нагрузке, предшествующей разрушению образца; σт — напряжение, при котором начинается пластическое течение металла.

Пластичность — это способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения. Пластичность характеризуется относительным удлинением δ при разрыве, %:

где l — длина образца после разрыва, мм; lo — первоначальная длина образца, мм.

Прочность при динамических нагрузках оценивают по ударной вязкости, обозначаемой символом КС, МДж/м2

где К — работа, затраченная на разрушение образца, МДж;

F — площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м2.

Если образец с U-образным надрезом, то к символу добавляется буква U (KCU), если образец с V-образным надрезом, то добавляется буква V (KCV), если надрез с трещиной – то Т (KCТ).

Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого, не получающего остаточных деформаций, тела. Значение твердости и ее размерность для одного и того же материала зависят от применяемого метода измерения. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: методы Бринелля (обозначение числа твердости – НВ), Роквелла (HRA, HRB, HRC) и Виккерса (HV). Значения твердости, определенные различными методами, пересчитывают по таблицам и эмпирическим формулам.

34

Например, твердость по Бринеллю (НВ, МПа) определяют из отношения нагрузки Р (рис. 17), приложенной к шарику, к площади поверхности полученного отпечатка шарика

Fотп : НВ = P / Fотп.

Рис. 17. Схема измерения твердости [3,4]: D — диаметр шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм; h — глубина отпечатка, мм

Физические свойства. К физическим свойствам металлов

исплавов относятся: температура плавления, плотность, температурный коэффициент, электросопротивление и теплопроводность. Физические свойства сплавов обусловлены их составом и структурой.

Химические свойства. К химическим свойствам относятся способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами.

Технологические свойства. Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам. К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки

идетали машин.

Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью к ликвации.

35

Деформируемость — это способность принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке.

Свариваемость — это способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Эксплуатационные или служебные свойства. В зависимости от условий работы машины или конструкции определяют коррозионную стойкость; хладостойкость; жаропрочность, жаростойкость; антифрикционность материала.

Коррозионная стойкость — сопротивление сплава действию агрессивных кислотных и щелочных сред.

Хладостойкость — способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже 0 °С.

Жаропрочность — способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.

Жаростойкость — способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Антифрикционность — способность сплава прирабатываться к другому сплаву.

Эти свойства определяются в зависимости от условий работы машины или конструкции специальными испытаниями.

1.7.Железо и его сплавы

Кжелезоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, является железо и углерод. Далее эти сплавы будут рассмотрены более подробно.

1.7.1.Фазы в железоуглеродистых сплавах

Железо может находиться в двух аллотропических формах — α и γ. Железо с углеродом образует твердые растворы и

36

химические соединения. α-железо растворяет очень мало углерода (до 0,02% при 727 °С). Ферритом называется твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Феррит имеет низкую твердость и прочность (НВ = 80; σв = 245 МПа (25 кГ/мм2)), высокую пластичность (δ = 50%; ψ = 80%). Поэтому технически чистое железо, структура которого представляет собой зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т. е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем они пластичнее. γ-железо растворяет углерод в значительно больших количествах (до 2,14% при 1147 °С). Аустенитом называется твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Характерная особенность аустенита заключается в том, что в обычных железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах (выше 727 0С). Микроструктура аустенита представляет собой зерна твердого раствора. Аустенит пластичен, твердость его НВ = 160…200, δ = 40…50%, поэтому аустенит хорошо подвергается горячей деформации.

Железо с углеродом также образуют химическое соединение Fe3С, которое называется карбид железа или цементит. В цементите содержится 6,67 % С. Цементит обладает большой твердостью (НВ = 800), но совершенно непластичен, т. е. хрупкий. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. Цементит неустойчив и при определенных условиях может распадаться, выделяя свободный углерод в виде графита.

1.7.2. Диаграмма состояния железо - цементит

Диаграммой состояния называется графическое изображение, показывающее фазовый состав и структуру сплавов в

37

зависимости от температуры и химической концентрации компонентов в условиях равновесия [1-3].

В применяемых на практике сплавах железа с углеродом содержание углерода не превышает 5 %. Поэтому диаграмму состояния железо — углерод рассматривают не полностью от 0 до 100 % углерода, а только часть ее, до 6,67% углерода (что соответствует содержанию углерода в цементите). Такую диаграмму (рис. 18) обычно называют диаграммой состояния железо — цементит (Fe — F3С). На этой диаграмме точка А (1539 °С) отвечает температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (~ 1600 °С) — температуре плавления (затвердевания) цементита.

Рис. 18. Диаграмма состояния Fe – Fe3C [1,2]

В соответствующих областях диаграммы указаны фазы и структурные составляющие, существующие в железоуглеродистых сплавах.

38

В точке С при 1147 °С и содержании 4,3% углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом (LC → АЕ + Ц).

На линии эвтектического превращения ЕСF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита).

Все сплавы системы железо – цементит по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,02 % (точка Р), составляют особую группу, их называют техническое железо. После окончания кристаллизации структура таких сплавов состоит или из зерен феррита (при содержании углерода менее 0,006 %), или из зерен феррита и кристаллов цементита третичного, расположенных по границам зерен феррита (когда содержание углерода от 0,006 до 0,02 %).

Стали - это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14 %, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14%, в которых при кристаллизации образуется эвтектика (ледебурит), называют чугунами. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Такие чугуны называют белыми, так как излом их светлый, блестящий (белый излом).

Также в железоуглеродистых сплавах превращения происходят и в твердом состоянии, т. е. после полного затвердевания. Они называются вторичной кристаллизацией и характеризуются линиями GSE, PSK, PQ.

Критические точки, лежащие на линии GS, обозначаются А3, при нагреве их обозначают Ас3, а при охлаждении —

Ar3.

Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. В результа-

39

те из аустенита выделяется избыточный углерод с образованием цементита, называемого вторичным. Критические точки, лежащие на линии SE, обозначаются Аст.

Линия PSK (727 °С) - это линия эвтектоидного превращения. На этой линий во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом (АS → ФР + Ц). Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А1, при нагреве их обозначают Ас1 а при охлаждении - Аr1.

Ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали, содержащие углерода менее 0,8%, называются доэвтектоидными сталями и имеют структуру феррит + перлит.

Сталь, с содержанием углерода 0,8%, называется эвтектоидной сталью и имеет структуру перлита.

Стали, с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%, называются заэвтектоидными сталями и имеют структуру цементит вторичный + перлит.

Белые чугуны, с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%, называются доэвтектическими чугунами и имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит.

Белый чугун, с содержанием углерода 4,3%, называется эвтектическим чугуном и имеет структуру ледебурита.

Белые чугуны, с содержанием углерода от 4,3 до 6,67%, называются заэвтектическими чугунами и имеют структуру цементит первичный + ледебурит.

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается. В результате из феррита при охлаждении выделяется избыточный углерод с образованием цементита, называемого третичным.

40