- •Министерство образования российской федерации московский государственный технологический университет «станкин»
- •Часть I. Металлургическое производство металлов и сплавов.
- •Часть II. Материаловедение.
- •5. Механические свойства металлов.
- •6.4. Зависимость между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Правило н.С. Курнакова.
- •9.5. Полимеры и пластические массы.
- •Часть I. Металлургическое производство металлов и сплавов.
- •1. Металлы и сплавы на их основе.
- •1.1. Основные определения.
- •1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов.
- •1.2.1. Идеальное строение металлов.
- •1.2.2. Полиморфные превращения в металлах.
- •1.2.3. Строение реальных металлов
- •2. Основы металлургического производства.
- •2. 1. Металлургические процессы выплавки металлов и сплавов.
- •2.1.1. Материалы металлургического процесса.
- •2.1.2. Технологии обогащения руд.
- •2.1.3. Получение слитков металлов и сплавов. Первичная кристаллизация (затвердевание).
- •2.2. Обработка давлением в металлургическом производстве.
- •2.3. Порошковая металлургия.
- •2.3.1. Получение порошков и приготовление смесей.
- •2.3.2. Формование заготовок.
- •3. Производство черных металлов - чугуна и стали.
- •3.1. Производство чугуна.
- •3.1.1.Состав шихты.
- •3.1.2. Выплавка чугуна.
- •3.1.3. Продукция доменного производства.
- •3.2. Производство стали.
- •3.2.1. Выплавка стали.
- •3.2.2. Разливка стали
- •3.2.3. Технология производства сталей и сплавов особо высокого качества.
- •4. Производство цветных металлов.
- •4.1. Производство меди.
- •4.2. Производство алюминия
- •Часть II. Материаловедение.
- •5. Механические свойства металлов.
- •Определение предела прочности, предела текучести, относительного удлинения и сужения.
- •Определение твердости
- •6. Основы теории сплавов.
- •6.1. Общие сведения (терминология).
- •6.2. Типы сплавов.
- •6.3. Диаграммы состояния сплавов.
- •6.4. Зависимость между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Правило н.С. Курнакова.
- •6.5. Диаграммы состояния сплавов, упрочняемых термической обработкой.
- •7. Диаграмма состояния «железо — углерод». Сплавы железа и углерода.
- •7.1.Диаграмма состояния «железо — углерод».
- •7.2. Сплавы системы «Fe — Fe3c».
- •8. Термическая обработка сталей и чугунов.
- •8.1.Превращения сталей при нагреве.
- •8.3. Технология объемной термической обработки.
- •8.3.1. Отжиг и нормализация.
- •8.3.2 Закалка.
- •8.3.3. Отпуск.
- •8.4. Поверхностное упрочнение.
- •8.4.1. Химико-термическая обработка (хто).
- •8.4.2. Поверхностная закалка.
- •9. Конструкционные материалы.
- •9.1. Стали.
- •9.1.1. Маркировка сталей.
- •9.1.2. Влияние легирующих компонентов на структуру и свойства сталей.
- •9.1.3. Стали общетехнического назначения.
- •9.2 Чугуны.
- •9.2.1. Белые и отбеленные чугуны.
- •9.2.2. Чугуны с графитом.
- •9.3. Материалы со специальными свойствами.
- •9.3.1. Стали, устойчивые против коррозии.
- •9.3.2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.
- •9.3.3. Износостойкие стали.
- •9.4. Цветные металлы и сплавы.
- •9.4.1. Медь и сплавы на ее основе.
- •9.4.2. Алюминий и сплавы на его основе.
- •9.5. Полимеры и пластические массы.
- •9.5.1. Полимеры.
- •9.5.2. Пластические массы.
- •9.5.3. Эластомеры (каучуки), резины.
- •9.5.4. Область рационального применения пластмасс.
- •9.6.Композиционные материалы (композиты).
- •Часть III. Технология формообразующей обработки.
- •10. Литейное производство.
- •10.1. Технологические требования к материалам для литья
- •10.2. Технология получения отливок.
- •10.2.1. Литье в одноразовые формы.
- •10.2.2. Литье в многократные (металлические) формы.
- •10.3.Электрошлаковое литье (эшл).
- •11. Обработка давлением.
- •11.1. Холодная и горячая обработка давлением.
- •11.2. Технологичность при обработке давлением.
- •11.3. Технология горячей обработки давлением.
- •11.3.1. Нагрев готовок.
- •11.3.2. Ковка.
- •2.3.3. Штамповка
- •11.4. Холодная обработка давлением.
- •11.4.1. Листовая штамповка.
- •11.4.2. Объемная штамповка
- •12. Сварка и пайка металлов.
- •12.1. Сварка и резка металлов.
- •12.1.1. Методы сварки.
- •12.1.2. Сварка плавлением.
- •12.1.3. Термомеханические и механические методы сварки.
- •12.1.4.Термическая обработка сварных изделий.
- •12.2. Резка металлов.
- •12.3. Пайка металлов.
- •12.3.1. Припои и флюсы.
- •12.3.2. Технология пайки.
- •12.3.3. Обработка деталей после пайки.
- •13. Обработка резанием.
- •13.1. Инструментальные материалы.
- •13.1.1. Инструментальные материалы лезвийных инструментов.
- •13.1.2.Материалы абразивных инструментов.
- •13.2. Технология обработки на металлорежущих станках.
- •14. Основы электрофизических и электрохимических методов обработки.
- •14.1. Электрофизическая обработка.
- •14.2. Электрохимическая обработка.
7. Диаграмма состояния «железо — углерод». Сплавы железа и углерода.
7.1.Диаграмма состояния «железо — углерод».
Железо — металл серебристо-белого цвета, мягкий. Технические сорта железа содержат 99,80…99,91% Fе. Температура плавления железа 1539°С. До температуры 768°С - точки Кюри - железо обладает магнитными свойствами, при этой температуре – теряет. Железо имеет две аллотропические модификации: Fеα - решетка ОЦК и Fеγ – решетка ГЦК. Железо-α существует при температурах ниже 911°С и выше 1401°С. В интервале температур 911…1401°С существует железо-γ.
Чистое железо не имеет широкого промышленного применения. В технике применяют сплавы железа с углеродом, структура которых описывается диаграммой состояния «железо - углерод».
При содержании углерода 6,67% образуется химическое соединение со стехиометрической формулой Fe3c. Это карбид железа, получивший название цементит, он обладает высокой твердостью до 850 HV. Именно до химического соединения - цементита (т.е. до содержания углерода, равного 6,67%) и построена диаграмма (рис. 7.1), поэтому ее часто называют диаграмма состояния «железо – цементит (Fe — Fe3c)». Рассмотрение диаграммы в таких пределах оправдано тем, что в промышленности нашли широкое применение сплавы с содержанием углерода, не превышающим указанное значение. Эта диаграмма имеет исключительно важное значение для теории и практики термической обработки.
Компоненты системы: железо (температура плавления - 1539°С – точка «А» диаграммы, температура полиморфного превращения - 911°С – точка «G»); цементит (температура плавления ~1560°С – точка «D» диаграммы).
Помимо химического соединения – цементита (Ц) железо образует с углеродом твердые растворы и смеси, образующие фазовые и структурные составляющие.
Твердые растворы:
- ррит (Ф) — твердый раствор углерода в α-железе — Fе α (С). Растворимость углерода в феррите весьма низкая - около 0,006% при 20°С (точка Q диаграммы), она возрастает при повышении температуры и достигает максимального значения - 0,02% при 727°С (точка P диаграммы). Кристаллическая решетка феррита — ОЦК. Феррит — твердый раствор внедрения: атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки железа- α. Феррит магнитен и весьма пластичен. Твердость феррита 80…100НВ;
- аустенит (А) — твердый раствор углерода в γ- железе — Fеγ(С). Аустенит существует только при высоких температурах - 727°С и выше. Растворимость углерода в аустените высокая – 0,8% при минимальной температуре его существования - 727°С (точка S диаграммы). Она возрастает при повышении температуры (также, как в феррите) и достигает максимального значения – 2,14% при 1147°С (точка E диаграммы). Кристаллическая решетка аустенита — ГЦК. Аустенит — твердый раствор внедрения. Аустенит немагнитен. Его удельный объем меньше, чем у феррита, вследствие более высокой атомной плотности (см. гл. 1 и рис. 1.6 – атомную плотность для решеток ОЦК и ГЦК). Твердость аустенита около 200НВ.
Смеси:.
- при температуре 1147°С в сплавах с содержанием углерода 2,14% и более при охлаждении из жидкого состояния образуется эвтектика, которая называется ледебурит (Л) это — смесь аустенита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкости постоянного состава (4,3%С). Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой: Ж4,3→Л[А2,14+Ц6,67] (цифры означают содержание углерода в соответствующих фазах в момент превращения – его содержание в аустените, равное 2,14%, соответствует точке «Е» диаграммы, 6,67% - содержание углерода в цементите – точке «F». Конода при температуре 1147°С совпадает с линией диаграммы «ЕСF»). Ледебурит имеет высокую твердость (550НV), очень хрупок;
- при температуре 727°С в сплавах с содержанием углерода 0,02% и более аустенит, содержание углерода в котором 0,8% (точка «S» диаграммы) превращается в смесь феррита и цементита, причем эти фазы выделяются одновременно. Превращение происходит при постоянной температуре. Такое превращение получило название эвтектоидного (в отличие от эвтектического, где исходная фаза – жидкость). Полученная смесь в общем случае называется эвтектоид. В системе «Fe — Fe3c» эвтектоид называется перлит (П). Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой: А0,8→П[Ф0,02+Ц6,67] (содержание углерода в феррите соответствует точке «Р», в цементите – точке «К»).
Рассмотрим те превращения в системе «Fe — Fe3c», которые определяют структуры сплавов после окончательного охлаждения, т.е. при комнатной температуре.
Превращения, происходящие на горизонтальных линиях «ECF» и «PSK» рассмотрены выше – это эвтектическое и эвтектоидное превращения. Таким образом, в структуре сплавов, содержащих более 2,14% С (лежащие правее точки «Е») будет присутствовать ледебурит; содержащих более 0,02% С (лежащие правее точки «Р») – перлит.
Большое значение имеют наклонные линии диаграммы – «DC», «ES»,«PQ». Все они показывают предельную растворимость углерода в жидкости, аустените и феррите, соответственно.
Это означает, что при охлаждении сплавов с содержанием углерода более 4,3% при достижении температуры, соответствующей линии «DC» будет выделяться цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в жидкой фазе. Этот цементит называется первичным (ЦI). Кристаллы первичного цементита крупные, они выделяются из жидкости, которая не препятствует их росту.
При охлаждении сплавов, лежащих правее линии «ES», вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры, из аустенита будет выделяться цементит, называемый вторичным (ЦII). По аналогии, цементит, выделяющийся из феррита (линия «PQ»), называется третичным (ЦIII).