ОГЛАВЛЕНИЕ

* - вариант задания определяется по двум последним цифрам номера зачетной книжки, например: зачетная книжка № 03-005 - вариант 5, зачетная книжка № 03-049 - вариант 49, зачетная книжка № 03-184 - вариант 34.

Тема 1. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Все металлы и металлические сплавы в обычных условиях являются кристаллическими телами, в которых атомы (ионы) расположены в опреде­ ленном порядке. Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку; атомы металла располагаются в узлах сетки. Наименьший объем, дающий представление об атомно-кристаллической структуре в целом, называется элементарной кристаллической ячейкой. Большинство металлов образуют одну из следующих решеток: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК)

игексагональную плотноупакованную (ГПУ). Эти решетки отличаются высокой симметрией и большой плотностью упаковки (в 1 см3 содержится более 1022 атомов). Поскольку именно атомы являются мельчайшими составляющими любого технического материала, то многие характеристики

исвойства атомов приобретают особое значение. Так, атомная масса определяет плотность и теплоемкость твердых тел, а структура электронных оболочек влияет на характер межатомного взаимодействия и прочность межатомных связей.

Атомы металлов содержат на внешнем энергетическом уровне небольшое количество электронов, поэтому они, имея слабую связь с ядром, способны легко отделяться от атомов и находиться в относительно свободном состоянии. При взаимодействии атомов металлов происходит обобществление валентных электронов в объеме всего кристалла. Подвижность множества валентных электронов («электронного газа», «электронного облака») определяет такие свойства металлов, как высокая электропроводность и теплопроводность, блеск, непрозрачность. Чем больше плотность «электронного газа», тем сильнее межатомная связь. Для большинства случаев (табл. 1) с увеличением энергии связи Есь растут температура плавления /пл, модуль упругости £упр,

энергия активации самодиффузии QnHф; коэффициент линейного расширения а, наоборот, уменьшается. Исключения: аномально завышен модуль упругости у бериллия, что позволяет использовать его сплавы как материалы повышенной жесткости; титан и цирконий имеют заниженные значения модуля упругости и энергии активации самодиффузии. Последнее объясняет их пониженную жаропрочность.

Ненаправленность металлической связи, когда каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше соседних атомов, определяет большую компактность кристаллических структур металлов. В наиболее плотноупакованных кристаллах (ГПУ и ГЦК) каждый атом может иметь 12 соседей (координационное число К12). В решетке объемноцентрированного куба для каждого атома число ближайших равноудаленных элементарных частиц равно 8 (К8). Благодаря образованию плотноупакованных структур металличес­ кие кристаллы более пластичны и менее тверды, чем ковалентные кристаллы.

Около тридцати металлов (Fe, Ti, Sn, Со и др.) обладают температурным полиморфизмом. Полиморфизм технических материалов имеет крайне важное значение для их обработки и эксплуатации. Например, термообработка сталей основана на стабилизации ГЦК структуры железа при высокой температуре с переходом ее в ОЦК структуру во время охлаждения.

Аллотропические формы железа, как и других металлов, обозначают буквами греческого алфавита. Кривая охлаждения для железа приведена на рис. 1.

Следует отметить, что все кристаллические тела не обладают идеальной кристаллической структурой, а содержат различного рода «дефекты» - несовершенства структуры (вакансии, межузельные атомы, дислокации, границы зерен), возникающие в результате смещения или удаления атомов со своих мест в решетке. Если бы все реальные материалы имели совершенную структуру, они не обладали бы пластичностью и не поддавались обработке, необходимой для изготовления деталей. Термообработка и улучшение свойств сталей основаны не только на изменении структуры, но и на сопутствующих им изменениях несовершенств. Наиболее важным видом несовершенств, опреде­ ляющим механические свойства металлов, являются дислокации (рис. 2).

Так, любая пластическая деформация является результатом движения и одновременного генерирования дислокаций. У отожженных металлов плот­ ность дислокаций, то есть суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема, равна 106...107 см*2 Дислокации, как и другие несовершенства кристаллического строения, появляются в металлах при кристаллизации.

Кристаллизацией называется переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры. Затвердевание происхо­ дит путем образования центров кристаллизации (зародышей) и их роста. Пока кристаллы растут свободно, они имеют правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как прекращается рост отдельных граней, и образуются кристаллиты, или зерна (рис. 3).

Рис. 2. Дислокация в кристаллической решетке

Рис. 3. Схема процесса кристаллизации (показана кристаллографическая ориентировка зерен)

Форма и размер зерен зависят от условий их роста: скорости и направле­ ния отвода тепла, температуры жидкого металла и др. Типичная структура слитка металла состоит из трех зон: мелких равноосных кристаллов на поверх­ ности слитка, зоны столбчатых кристаллов, расположенных нормально к стенкам формы, и равноосных кристаллов больших размеров в середине слитка. Применяя различные технологические приемы, можно изменять количественное соотношение зон.

При сверхвысоких (более 10б град/с) скоростях охлаждения из жидкого или парообразного состояния образование зародышей и рост кристаллов подавляется. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура, свойства которой значительно отличаются от свойств того же материала с кристаллической структурой. Многие аморфные материалы удачно сочетают высокую прочность, твердость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью, а также имеют особые физические свойства (большое удельное электросопротивление, малая коэрцитивная сила и т. д.).

Тема 2. ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Упругая и пластическая деформация. Пути повышения прочности

Напряжения любого вида вызывают деформацию тела, то есть изменение его формы и размеров. С увеличением напряжения деформация увеличивается. Когда способность тела деформироваться исчерпывается, то происходит его разрушение. Способность материала сопротивляться деформации и разруше­ нию называется прочностью.

Деформация может быть упругой и пластической (рис. 4). Упругая деформация существует только во время приложения нагрузки и полностью исчезает после ее снятия. Механизм упругой деформации состоит в изменении расстояния между атомами в направлении действующей силы. Пластической деформацией называется изменение формы и размеров тела, сохраняющееся после снятия нагрузки. Основным механизмом пластической деформации является сдвиг атомов.

Нанряжшыал

Рис.4. Схема деформирования кристаллической решетки

Если сдвиг происходит в идеальной кристаллической решетке, то для его осуществления требуется разорвать связи между всеми атомами в плоскости сдвига. В этом случае напряжение сдвига (теоретическую прочность) можно рассчитать по формуле: S = G /2п 0,16(7, где G - модуль сдвига.

Действительно, экспериментально определенные значения прочности металлических «усов» (монокристаллические нити, практически не содержа­ щие дефектов кристаллического строения) близки к расчетным. Однако прочность реальных металлов в сотни и тысячи раз меньше. Такое различие теоретической и экспериментально определяемой прочности металлов объясняется несовершенством их кристаллического строения. При наличии множества дислокаций сдвиг одной части кристалла относительно другой

не сопровождается разрывом межатомных связей, а происходит путем движения (скольжения) дислокаций. Гипотеза об участии дислокаций

впластической деформации кристаллов была выдвинута в середине 30-х годов

илишь через 15...20 лет (после создания трансмиссионного электронного микроскопа) подтверждена экспериментально. Механизм пластической

деформации, основанный на скольжении дислокаций, может быть сопоставлен с перемещением по полу ковра, на котором специально сделана складка (рис. 5).

Плоскость

скольжения

в)

Рис. 5. Схема пластической деформации скольжением дислокаций: а - складка ковра в качестве модели скольжения (АА' - начальное положение, ВВ'- конечное положение); б - перемещение дислокации при скольжении, в - смещение атомов вблизи ядра дислокации

Перемещение складки, требующее сравнительно небольших усилий, приводит к перемещению всего ковра в том же направлении. Функцию складки в металлических кристаллах выполняют дислокации. Перемещение дислокации

В пластичных металлах дислокации легко подвижны. Затруднение движения дислокаций любыми методами приводит к упрочнению. Движение дислокаций затрудняют границы зерен и субзерен, упругие искажения кристаллической решетки (например, при растворении инородных атомов), дисперсные включения (частицы второй фазы), а также другие дислокации. Зная механизм пластической деформации и факторы, влияющие на подвижность дислокаций, можно предвидеть поведение металлов при различных внешних воздействиях и разрабатывать способы управления свойствами. Так, большинство

применяемых на практике способов упрочнения металлов и их сплавов основано на увеличении плотности дислокаций. Чем больше механизмов торможения дислокаций реализовано в одном материале, тем выше будет его прочность. В настоящее время рекордный уровень прочности (ав= 5000 Н/мм2) получен на патентированной проволоке из стали У9А.

Наклеп и рекристаллизация

Наклепом называется упрочнение металлов, происходящее в результате пластической деформации при процессах холодной обработки давлением (холодная прокатка, штамповка, протяжка, волочение). Поскольку пластическая деформация осуществляется путем скольжения дислокаций, то очевидно, что пластичность должна зависеть от количества дислокаций (рис. 6).

Рис. б. Зависимость прочности металлов от плотности дис­ локаций (кривая Одннга): 1 - идеальный кристалл без де­ фектов; 2 - нитевидные кристаллы ("усы"), 3 -отожженные металлы; 4 - металлы, упрочненные холодной деформа­ цией и другими способами, обеспечивающими высокую плотность дефектов кристаллического строения

Наибольшая пластичность (и наименьшая прочность) достигается при равновесной плотности дислокаций р = 106_107 см'2 Изменение количества несовершенств кристаллического строения в ту или иную сторону приводит

кзатруднению пластической деформации и увеличению прочности.

Впроцессе холодной пластической деформации происходит значительное увеличение плотности дислокаций (до Ю|0...1012 см'2) и, как следствие, упрочнение (наклеп). Это явление широко применяют на практике для повышения прочности металлов. Во многих случаях для увеличения твердости,

предела прочности, выносливости достаточно поверхностного наклепа (обкатка роликами, обработка стальной дробью). Однако при холодной обработке давлением (прокатка, волочение, штамповка) следует учитывать и отрицательное влияние наклепа, так как упрочнение металла в процессе деформирования затрудняет его дальнейшую обработку.

Для снятия наклепа и возвращения металлу способности деформироваться применяют рекристаллизационный отжиг, который заключается в нагреве до температуры выше температуры рекристаллизации, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. При нагреве металла атомы приобретают повышенную подвижность, уменьшается плотность дефектов кристаллического строения, снимаются внутренние напряжения, образуются новые равноосные зерна. Это приводит к уменьшению твердости и прочности и к увеличению пластичности (рис. 7).

_ ив.®* *03

8.V

Рис. 7 Изменение структуры и свойств деформированных металлов при нагреве

Изменения в структуре и свойствах металла зависят от температуры нагрева. Можно выделить три основных этапа:

1.Возврат. Частично снимаются искажения решетки, что приводит к уменьшению остаточных напряжений. Волокнистая структура сохраняется. Механические свойства изменяются мало.

2.Рекристаллизация. Образуется новый комплекс мелких равноосных зерен. Величина рекристаллизованного зерна зависит от степени предшествующей деформации. Степень деформации, при которой получается наибольшее зерно, называется критической (для большинства металлов критическая деформация составляет 2...8 %). Крупнозернистый металл имеет, как правило, худшие механические свойства по сравнению с мелкозернистым.

Если по сечению детали деформация различна, то после рекристаллизации будет наблюдаться разнозернистость, которая отрицательно сказывается на механических свойствах.

3. Рост зерна (собирательная рекристаллизация). Значительное увеличение температуры рекристаллизационного отжига относительно температурного интервала рекристаллизации нежелательно, так как это приводит к росту зерна (перегреву). Температуру рекристаллизации можно оценить по формуле Бочвара: Трекр = аТпл , где а - коэффициент, зависящий от чистоты металла и структуры. Для металлов технической чистоты а = 0,4; для сплавов а = 0,5...0,85 в зависимости от структуры.

Холодная и горячая деформация

Холодной деформацией называют обработку давлением при температурах ниже температуры начала рекристаллизации. При холодной деформации рекристаллизация не происходит. Металл упрочняется, приобретает волокнистое строение. Зерна вытягиваются в направлении действующей силы.

Горячей деформацией называют обработку давлением при температурах выше температуры начала рекристаллизации. В этом случае одновременно с деформацией происходит рекристаллизация металла: деформированные зерна практически мгновенно заменяются новыми равноосными. Высокая пластичность и низкая твердость и прочность сохраняются в течение всего процесса деформации. Наклепа не происходит.

Например, деформирование свинца при комнатной температуре является горячей деформацией: 7 ^ = 0,4 (327 + 273) = 240 К, тогда /ре1ф. = (240 - 273) = = -33 °С. Для железа деформирование при г = 300...400 °С является холодной обработкой давлением, так как температура начала рекристаллизации железа равна 450 °С.

Чем больше превышение температуры обработки над температурой рекристаллизации, тем легче происходит горячая пластическая деформация металла или сплава. Наилучшей обрабатываемостью давлением обладают сплавы с однородной структурой. Например, доэвтектоидные стали подвергают горячей обработке давлением только в аустенитном состоянии (y-Fe). При более низких температурах гетерогенная структура не обеспечивает однородность деформации (аустенит и феррит различаются по свойствам), что может привести к большим остаточным напряжениям и растрескиванию.

Механические свойства металлов

Прочность, пластичность и вязкость являются главными механическими свойствами металлов и сплавов. В зависимости от условий нагружения деталей необходимо знать те механические свойства, которые определяют поведение материала именно в этих условиях. Поэтому различают механические свойства:

а) при испытании постоянными (статическими) напряжениями,

например, прочность при растяжении, изгибе, кручении; б) при испытании переменными напряжениями, например, усталостная

прочность при изгибе или кручении;

в) при испытании динамическими напряжениями, например, ударная вязкость, определяемая как работа разрушения при ударном изгибе.

Кроме того, механические свойства зависят от температуры (при глубоком охлаждении металлы охрупчиваются, при увеличении температуры - разупрочняются). Поэтому в зависимости от условий работы определяют различные механические свойства, иногда комплекс свойств.

Испытания на растяжение для определения характеристик прочности (ав, CJ02 и др.) и пластичности (8, у) проводят на специальных разрывных машинах путем растяжения стандартных образцов (цилиндрических или плоских). В процессе испытаний производится автоматическая запись диаграммы в координатах «удлинение - нагрузка». Прямолинейный участок диаграммы соответствует упругой деформации образца, криволинейный - началу и развитию пластической деформации. Пластическая деформация сопровождается утонением образца и образованием шейки, что приводит в дальнейшем к разрушению.

Определение твердости. Твердостью называется способность материала сопротивляться пластической деформации при внедрении в него постороннего тела, которое само при этом пластически не деформируется. Определение твердости имеет большое практическое значение, так как позволяет оценить качество материала после различных видов обработки. Испытания на твердость (в отличие от других механических испытаний) являются неразрушающими видами контроля, поэтому могут применяться для готовых деталей.

Наиболее широко применяемые способы измерения твердости: по Бринеллю (НВ), Роквеллу (HRA, HRB, HRC), Виккерсу (HV). Метод микротвердости позволяет определять твердость микрообъемов (отдельных структурных составляющих, тонких поверхностных слоев и др.). Большое практическое значение имеет зависимость между твердостью и прочностью, которая позволяет косвенно судить о прочности металла по его твердости: ств = (0,3...0,4) НВ.

Испытания на ударную вязкость (KCU, KCV, КСТ) проводят для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению. Стандартный образец устанавливают на двух опорах и разрушают ударом специального бойка или молота. Достаточно надежными являются материалы с ударной вязкостью KCU более 0,3 МДж/м2 (или КСТ более 0,12 МДж/м2).

Крупнозернистые стали имеют значительно меньшую ударную вязкость, то есть более склонны к хрупкому разрушению и менее надежны, чем мелкозернистые. С понижением температуры во многих сплавах проявляется хладноломкость, характеризующаяся резким уменьшением ударной вязкости.

Испытания на выносливость проводят для определения усталостной прочности (для деталей, испытывающих многократные нагрузки). Усталостный характер нагружения приводит к тому, что детали разрушаются при напряжениях, значительно меньше временного сопротивления и даже предела текучести. Явление усталости объясняется следующим образом. При многократно повторяющихся нагрузках сначала в одном или нескольких зернах происходит пластическая деформация, вызывающая наклеп. Постепенно запас пластичности этих зерен исчерпывается и они разрушаются. Микротрещины проникают в соседние зерна, сливаются в одну магистральную трещину, которая медленно продвигается, ослабляя сечение детали. Способность металла сопротивляться усталостному разрушению принято называть выносливостью или усталостной прочностью (a.j и др.). Предел выносливости определяют на специальных образцах, нагружаемых чаще всего по схеме «переменный изгиб с вращением». Образец нагружается как консольная балка и одновременно вращается. За каждый поворот образца напряжения в каждой его точке изменяются от максимально сжимающих до максимально растягивающих.

Тема 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ.

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Сплавом называется твердое вещество, обладающее всеми признаками металлов и состоящее из двух и более химических элементов. Компонентами сплава могут быть металлы и неметаллы, но основу всегда составляет металлический элемент.

Структура сплавов, формирующаяся в результате кристаллизации, - более сложная, чем у чистых металлов, и зависит от того, как взаимодействуют друг с другом компоненты. Для описания структуры используют понятие структурной составляющей. Структурная составляющая - это обособленная часть сплава, которая при рассмотрении под микроскопом имеет однообразное строение. К однофазным структурным составляющим (однородным по составу, строению и свойствам) относятся кристаллы чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений. Кроме однофазных структур в сплавах часто встречаются двухфазные составляющие, которые представляют собой хорошо перемешанную смесь разных кристаллов: двух чистых компонентов, чистого компонента и твердого раствора, двух твердых растворов и т. д.

Кристаллы чистых компонентов образуются в том случае, когда химические элементы, входящие в состав сплава, практически не взаимо­ действуют друг с другом. Если же между компонентами сплава происходит диффузия, то есть взаимное проникновение атомов, то кристаллы чистых компонентов не образуются, а возникают новые фазы - твердые растворы и (или) химические соединения.

Твердый раствор - это кристаллическая фаза, имеющая решетку элемента-растворителя, в узлах или междоузлиях которой располагаются атомы растворенного элемента. Соответственно различают твердые растворы замещения и внедрения.

Твердые растворы замещения могут быть неограниченными, например, медь-золото, либо ограниченными, например, алюминий-медь. Предел растворимости для ограниченных твердых растворов может изменяться при изменении температуры; обычно при нагреве растворимость увеличивается. Твердые растворы внедрения образуются в системах металл-неметалл при соотношении атомных радиусов гА/ г в <0.59 и всегда являются ограниченными из-за больших искажений кристаллической решетки. Твердые растворы - - основные фазы в сплавах, так как они пластичны, хорошо обрабатываются давлением и резанием, а прочность их выше, чем у чистых металлов.

Химические соединения относятся к промежуточным фазам, характерным признаком которых является собственная кристаллическая решетка, и отличаются от других соединений этой группы постоянным химическим составом (концентрацией). В соединении всегда сохраняется

Рис. 9 Диаграмма состояния сплавов висмут - кадмий

очень мелких кристаллов висмута и кадмия, находящихся в определенном взаимном расположении. Доэвтектические сплавы, содержащие менее 60 % кадмия, состоят из кристаллов висмута и эвтектики, а заэвтектические -

-из кристаллов кадмия и эвтектики. Чем ближе состав конкретного сплава

кэвтектическому, тем больше количество эвтектики в его структуре. Аналогичные диаграммы состояния имеют сплавы систем Zn-Sn, Pb-Ag, Ni-Cr, Cr-Mn, Cu-Bi, Al-Si, Pb-Sb.

Практическое значение диаграмм состояния

Основоположником учения о связи диаграмм состояния со свойствами сплавов является академик Н.С. Курнаков. В общем виде зависимость свойств от химического состава сплава (типа диаграммы) приведена на рис. 10.

В сплавах, компоненты которых не растворяются друг в друге и не образу­ ют химических соединений, свойства изменяются в основном прямолинейно. В сплавах, имеющих структуру твердых растворов, свойства изменяются по криволинейной зависимости, то есть более существенно, чем для сплавов, имеющих структуру смеси кристаллов. При образовании химических соединений на графике отмечается характерный перелом. Это объясняется тем, что химические соединения обладают индивидуальными свойствами, обычно резко отличающимися от свойств образующих их компонентов.

Ряс. 10. Зависимость свойств от состава сплава (вида диаграммы состояния)

Закономерности, обнаруженные Н. С. Курнаковым, являются основой при разработке составов сплавов с заданными свойствами. Следует отметить, что указанные закономерности справедливы для оценки не только механических, но и физических, а также многих технологических свойств сплавов. Так, например, для системы Л-В, диаграмма состояния которой представлена на рис. И, можно следующим образом прогнозировать свойства сплавов по сравнению с заранее известными свойствами чистых компонентов:

а) твердость, прочность и электросопротивление твердых растворов а и р

в) литейные свойства лучше у эвтектического сплава (кривые 5 и 6). Известно, что технологические литейные свойства, определяющие способность сплава при затвердевании давать высококачественные слитки или отливки, зависят от жидкотекучести, склонности к образованию трещин внутри и на поверхности слитков, возможности формирования концентрированной усадочной раковины.

Жидкотекуччесть - это способность расплава заполнять литейную форму сложной конфигурации. Чем больше температурный интервал кристаллизации, тем ниже жидкотекучесть; одновременно увеличивается склонность образовывать трещины и мелкую пористость, рассеянную по всему объему

Рис. 11. Зависимость свойств сплава от состава при образовании ограниченных твердых растворов: 1 - предел прочности; 2 - электро­ сопротивление; 3 - электропроводность; 4 - температурный коэффи­ циент электросопротивления, 5 - жидкотекучесть, б - объемная

усадка

отливки, что нередко выводит литье в брак. Поэтому однофазные сплавы со структурой твердого раствора, особенно сплавы, составы которых находятся близко к предельным точкам С и Д обладают плохими литейными свойствами и непригодны для фасонного литья. Однако эти сплавы имеют высокое сопротивление коррозии и хорошую технологическую пластичность, необходимую для изготовления деталей методами обработки металлов давлением (прокатка, прессование, ковка и др.). Пластичность сильно понижается при появлении в структуре эвтектики.

Таким образом, диаграммы состояния позволяют на научной основе предвидеть поведение сплавов и выбирать материалы в зависимости от их назначения.

Тема 4. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ

Основой науки о стали и чугуне является диаграмма системы сплавов железо-углерод. Железо с углеродом образуют три химических соединения: Fe3C, Fe2C, FeC. Однако практическое значение имеют сплавы, содержащие не более 5 % углерода, поэтому рассматривают лишь первую часть общей диаграммы: систему железо-цементит (рис. 12).

Количество цементита, % — ►

Рис 12 Диаграмма состояния железо - цементит (в упрощенном виде)

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие:

феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в а-железе, кристаллическая решетка ОЦК. Растворимость углерода в a -железе мала

(область на диаграмме GPQ). Механические свойства: ств = 250 Н/мм2; о0.2 = = 120 Н/мм2; 5 = 50 %; KCU = 2,5 МДж/м2; твердость 80 НВ;

аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в у-железе. Он имеет решетку ГЦК, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в у-железе значительно больше (область на диаграмме GSE) и достигает 2,14 % при 1147 °С. Аустенит пластичен (5 = = 40. ..50%), но прочнее феррита (160. ..200 НВ);

цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe3C, содержит 6,67 % углерода. Цементит твердый (« 800 НВ) и хрупкий;

перлит (П) - двухфазная структура, состоящая из феррита и цементита (эвтектоид), содержит 0,8 % углерода. Перлит может быть пластинчатым или зернистым в зависимости от формы цементита (пластинки или глобулярные

и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита; ледебурит (Л) - эвтектика, образуется во время затвердевания расплава при температуре 1147 °С, содержит 4,3 % углерода. Различают высокотемпера­ турный ледебурит (смесь аустенита и цементита) и низкотемпературный ледебурит (смесь перлита и цементита). Ледебурит имеет твердость 600 НВ

и высокую хрупкость.

Сплавы с содержанием углерода до 2,14 % называют сталями, а от 2,14 до 6,67 % углерода - чугунами. Стали при нагреве можно перевести в одно­ фазное состояние, которое обладает высокой пластичностью. Поэтому стали в горячем состоянии хорошо поддаются обработке давлением: прокатке, ковке, штамповке. Чугуны при нагреве не дают однофазной структуры вплоть до плавления. Ледебуритная эвтектика, присутствующая в структуре, затрудняет обработку резанием и давлением. В то же время наличие эвтектики улучшает литейные свойства. Поэтому чугуны относятся к литейным материалам.

С помощью диаграммы железо-цементит можно определить фазовый состав и структуру сталей и чугунов, а также описать превращения, происходящие в любом сплаве при затвердевании.

Пример. Для сплава, содержащего 1,8 % углерода, определить процентное содержание углерода в фазах и количественное соотношение фаз при температуре 850 °С.

Решение. Для решения этой задачи найдем на рис. 12 точку О, соответствующую заданному составу и температуре. В структуре сплава в этих условиях будут две однофазные составляющие, то есть две фазы: аустенит и цементит. Для определения состава и количества фаз при рассматриваемой температуре необходимо через данную точку О провести горизонтальную линию, параллельную оси концентрации, до пересечения с ближайшими сплошными линиями диаграммы состояния (линия ES и вертикальная ось). Эта линия называется конодой. Точка пересечения коноды с линией £S, спроектированная на ось концентраций, показывает состав аустенита

(концентрацию углерода в аустените), а точка пересечения с вертикальной осью - состав цементита. Таким образом, в аустените содержится 1,5% С, в цементите - 6,67 % С.

Для определения количественного соотношения фаз воспользуемся правилом отрезков. Конода делится конкретным составом сплава на два отрезка. Для определения количества аустенита нужно взять отношение длины отрезка, противоположного составу данной фазы, к длине всей коноды:

количество аустенита = ON / MN 100 % =

- (6,67 - 1 , 8 ) / (6,67 - 1,5)100 % = 94 %; количество цементита = 100 % - 94 % = 6 %.

Температуры, при которых происходят фазовые превращения, называются критическими точками. Они обозначаются буквой А с индексами: с - для нагрева, г - для охлаждения. Характеристика основных критических точек железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии приведена в табл. 2.

Таблица 2

Пример. Описать превращения и построить кривую охлаждения для сплава, содержащего 4,3 % углерода.

Решение. Сплав, содержащий 4,3 % С, - эвтектический белый чугун. Данный сплав кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически с образова­ нием ледебурита, то есть с одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ES вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8 % С. При температуре линии PSK аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит. Таким образом, во время охлаждения расплава, содержащего 4,3 % С, в нем протекают следующие реакции:

Кривая охлаждения данного сплава с иллюстрацией поэтапного формирования структуры приведена на рис. 13.

Рис. 13. Превращения в эвтектическом чугуне

Диаграмма состояния железо-цементит имеет большое практическое

в литейном производстве для определения температуры плавления. Кроме того, диаграмма дает представление о структуре и фазовом составе любого сплава при различных температурах. Поскольку свойства всех составляющих известны, то, зная структуру и фазовый состав, можно прогнозировать механические и технологические свойства сплавов.

Тема 5. ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯХ ПРИ НАГРЕВЕ

ИОХЛАЖДЕНИИ

Воснове теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие в сталях при нагреве и охлаждении. Целью нагрева является получение аустенита, а основным превращением - превращение перлита в аустенит, т. к. в структуре всех сталей в исходном состоянии присутствует перлит. Превращение идет по реакции:

от точки Aci до Асъ избыточный феррит превращается в аустенит. В заэвтектоидных сталях в интервале температур Ас\...Аст избыточный цементит растворяется в аустените. Выше температур Асъ и Аст идут только процессы гомогенизации и роста зерна аустенита. От размера зерна аустенита зависят механические свойства стали, главным образом, ударная вязкость, которая значительно понижается с увеличением размера зерна. Поэтому при назначении температуры нагрева необходимо учитывать склонность к росту аустенитного зерна для конкретной стали.

При охлаждении аустенит не сохраняется и претерпевает превращение. При этом в зависимости от скорости охлаждения могут протекать два превращения: аустенита в феррито-карбидную смесь (ФКС) или аустенита в мартенсит. Чем больше скорость охлаждения, тем дисперснее структура ФКС. Если при охлаждении подавляется диффузионная подвижность атомов, то происходит мартенситное превращение. Такое влияние скорости охлаждения связано с тем, что с увеличением скорости охлаждения аустенит может переохлаждаться до более низких температур. Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения, меньше диффузионная подвижность атомов железа и углерода и ниже действительная температура превращения аустенита. Таким образом, важнейшим фактором, влияющим на механизм и кинетику превращения аустенита при непрерывном охлаждении, а также на строение и свойства получающихся продуктов превращения, является степень переохлаждения аустенита.

Аналогичная зависимость характерна и для режимов изотермического охлаждения. Каждой действительной температуре изотермической выдержки соответствует определенное время начала и конца превращения (рис. 14). Диаграммы изотермического превращения аустенита для всех сталей приведены в справочниках и с их помощью можно прогнозировать результаты обработки, то есть определять структуру и твердость после конкретного режима охлаждения.

Структуру перлита, обладающую минимальной для данной стали твердостью, можно получить и другим способом: непрерывным охлаждением с температуры аустенитизации. При этом скорость охлаждения должна быть такой, чтобы распад аустенита происходил при малой степени переохлаждения. Это возможно, например, при очень медленном охлаждении (вместе с печью), то есть при проведении обычного (неизотермического) отжига. Увеличение скорости непрерывного охлаждения равноценно понижению температуры при изотермическом охлаждении. Поэтому феррито-карбидная смесь, образующаяся в стали при йормализации, всегда более мелкая, чем при отжиге, а твердость - выше. Наибольшую твердость (60 ...62 HRC) имеет мартенситная структура, которую можно получить только при проведении закалки.

Мартенситное превращение при закалке сталей, в отличие от перлитного превращения при отжиге и нормализации, имеет бездиффузионный характер. При быстром охлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. В этом случае происходит только перестройка кристаллической решетки у-железа в решетку a -железа. Известно, что а-железо способно растворять очень небольшое количество углерода (до 0,02 %), в то же время в мартенсите всегда сохраняется столько углерода, сколько

вмартенсите, тем выше твердость закаленной стали. Так, например, для стали

ссодержанием 0,4 % углерода твердость мартенсита составляет 52...54 HRC,

а для стали, содержащей 1,0 % углерода, - 62...64 HRC. Мартенсит имеет характерное игольчатое строение. При правильно проведенной закалке кристаллы мартенсита получаются очень мелкими. Крупнокристаллический мартенсит перегретой стали обладает повышенной хрупкостью.

Пример. Можно ли получить мартенсит в чистом железе?

Решение. В общем случае мартенситом называют структуру, полученную при бездиффузионной (сдвиговой) перестройке кристаллической решетки. Поэтому мартенсит можно получить не только в железоуглеродистых сплавах. Для осуществления мартенситного превращения железо необходимо нагреть на температуру выше 911 °С, при этом образуется у-железо с решеткой ГЦК, а затем очень быстро охладить (со скоростью больше критической). Мартенсит в чистом железе не содержит углерода, поэтому его твердость ниже, чем у любой стали. Однако по сравнению со структурой, полученной

при медленном охлаждении железа, когда перестройка решетки у -► а идет по нормальному механизму, мартенсит имеет более высокую твердость (28 ...30 HRC). Это связано с тем, что, как и в сталях, при образовании мартенсита значительно увеличивается плотность дислокаций: с 10б. .. 107 см’2 в равновесном состоянии до 1010...1 0 12 см'2 после закалки. Повышенная плотность дислокаций является основной причиной упрочнения при образовании мартенсита; углерод дополнительно увеличивает твердость и прочность закаленных сталей.

Для превращения аустенита в мартенсит характерно то, что оно не идет в изотермических условиях, а происходит в интервале температур. Начинается превращение при температуре Л/н, а заканчивается при более низкой температуре А/к (рис. 19). Поэтому после закалки в структуре сталей наряду с мартенситом может присутствовать остаточный аустенит, особенно в высокоуглеродистых сталях (до 15 % Аост). Избавиться от остаточного аустенита, снижающего твердость закаленной стали, можно либо обработкой холодом, либо нагревом после закалки (для углеродистых сталей необходим нагрев до температуры 200.. .300 °С).

повышением содержания углерода в аустените и, как следствие, понижением мартенситного интервала МИ...МК.

Таким образом, мартенсит является основной структурной составляющей в закаленных сталях. Мартенсит имеет высокую твердость и прочность, а также, что существенно, более равномерное распределение атомов углерода, чем в феррито-карбидных структурах. Соответственно целью закалки является

либо получение максимальной для данной стали прочности и твердости за счет образования мартенсита, либо получение мартенсита как промежуточного однофазного состояния, обеспечивающего наибольшую однородность структуры. Однако в любом случае закалка не является завершающей термической операцией, так как мартенсит имеет повышенную хрупкость из-за больших внутренних напряжений. Поэтому после закалки обязательно проводят отпуск.

Отпуск - процесс термической обработки, состоящий в нагреве закален­ ной стали до температуры ниже критической точки Ас\, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении, обычно на воздухе. Цель отпуска: уменьшение закалочных напряжений и получение требуемого комплекса механических свойств. Температура отпуска варьируется в широких пределах - от 150 до 700 °С в зависимости от конкретной задачи. Различают низкий, средний и высокий отпуск. Изменение свойств при отпуске показано на рис. 20.

Температура отпуска?С

Рис. 20. Изменение механических свойств стали 40 при отпуске

Низкий отпуск (150...250 °С) выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска. Это обеспечивает частичное снятие внутренних напряжений в закаленной стали, что приводит к повышению вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструмен­ тальных сталей, после цементации и т. д. Средний отпуск (300...500 °С) производится для получения структуры троостита отпуска, что обеспечивает значительную прочность и упругость при достаточной вязкости. Средний отпуск применяют для рессор и пружин. Высокий отпуск (500...680 °С) приводит к полному распаду мартенсита с образованием структуры сорбита отпуска, обладающей лучшим сочетанием прочности и пластичности. Закалка с высоким отпуском (улучшение) применяется для конструкционных сталей, когда требуется обеспечить повышенную надежность материала, например, для деталей, работающих при ударных нагрузках.

П ример. О динаковую твердость эвтектоидной стали можно получить двумя разными способами: нормализацией и улучшением. Какой вариант предпочтительнее?

отпуском) образуется сорбит отпуска с зернистым строением. Цементит приобретает зернистую форму благодаря тому, что в однородном по углероду мартенсите образуется множество карбидных зародыш ей. Поскольку глобулярная форма частиц отвечает основному правилу термодинамики (обеспечение минимума свободной энергии системы), то в процессе роста частицы цементита округляются, даже если при возникновении они имели пластинчатую форму. Чем выше температура отпуска, тем более округлыми и крупными становятся цементитные частицы. По сравнению с пластинча­

ударная вязкость, снижается критическая температура хрупкости, то есть повыш аю тся характеристики надежности.