Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Технология конструкционных материалов. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Рис. 9. Макроструктура

стального слитка

1.3.4. Строение слитка

Сталь, залитая в изложницу, в виду неравномерного охлаждения, кристаллизуется также неравномерно, образуя различные зоны в затвердевшем слитке. Разрез слитка показан на рис. 9. У стенок изложницы, где металл охлаждается быстрее, образуется зона мелких кристаллов 1. За ней образуется зона столбчатых кристаллов 2, ориентированная к центру слитка. И наконец в центральной части слитка, где медленно остывает металл, образуются кристаллы – 3 без определенной ориен-

тации. Химический состав отдельных кристаллов является неоднородным, в силу неравномерного распределения примесей в слитке. Это явление называют ликвацией.

Затвердевание слитка, по мере кристаллизации, сопровождается уменьшением объема стали. Вследствие чего в верхней части образуется усадочная раковина 4. Чем лучше раскислена сталь, тем меньше газовых включений в слитке. При раскислении только одним марганцем в стали остается некоторое количество FeO, которая вступает в химическое взаимодействие с углеродом на реакции FeO+C=CО+Fe. Часть СО остается в слитке в виде газовых включений. Такие плохо раскисленные стали называются «кипящими», т.к. бурное выделение СО в момент затвердевания вызывает бурление стали. При полном раскислении стали (раскислители Al и Si) получают так называемую спокойную сталь с более плотным строением.

1.4. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ

Рис.10. Кривая охлаждения железа

СПЛАВОВ

Свойства железоуглеродистых сплавов в значительной степени определяются содержанием углерода. Вследствие полиморфизма железа и ограниченной растворимости углерода в железе существует большое разнообразие фазовых и структурных составляющих железоуглероди-

стых сплавов. При охлаждении железа ниже 1539оС происходит процесс первичной кристаллизации железа с образованием высокотемпературной модификации δ-железа, имеющей кристаллическую решетку объемно-центрированного куба. Эта высокотемпературная форма δ-железа может растворять до 0,1 % углерода. При температуре 1400оС происходит вторичная кристаллизация железа, и в интервале температур от 1400оС до 910оС железо существует в форме γ-модифика-

ции с кристаллической решеткой гране-

центрированного куба, образуя с углеродом аустенит – твердый раствор внедрения, с предельной растворимостью углерода 2,14 % при температуре 1147оС. Аустенит пластичен, имеет твердость 160…200 НВ. При охлаждении ниже 910оС γ-железо распадается, вновь происходит вторичная кристаллизация с образованием феррита. Фер- рит - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. При 723оС α-железо способно растворить до 0,02 % углерода. Феррит высокопластичен и имеет относительное удлинение 40…50 %. Твердость феррита находится в пределах от 80 до 120 НВ. Феррит хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.

Цементит – химическое соединение Fe3C, содержащее 6,67 % углеро-

да. Температура плавления цементита 1250оС. Кристаллическая решетка сложная, ромбическая, плотноупакованная. Это самая твердая составляющая сплавов железа с углеродом, имеет твердость 800 НВ. Сплав на основе чистого цементита не используют, так как он хрупок. Различают цементит первичный, формирующийся при первичной кристаллизации и присутству-

ющий в белых чугунах в виде крупных пластин и цементит вторичный, ко-

Рис.11. Структурная составляющая

железоуглеродистых сплавов: перлит

торый образуется при вторичной кристаллизации. В стали вторичный цементит образуется при распаде аустенита. В заэвтектоидной стали цементит располагается в виде сетки вокруг зерен перлита.

Углерод может присутствовать в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии, в виде графита, который обычно распределяется в виде пластинок в основной массе сплава. При определенных условиях в чугунах можно получить графит компактных форм - шаровидной и хлопьевидной.

Перлит – эвтектическая механическая смесь феррита и цементита, со-

держащая 0,83 % углерода. образующаяся при распаде аустенита при температуре ниже 727оС. Твердость перлита 200 НВ. У перлита высокая прочность – 800 МПа. Структура перлита состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. При слабом увеличении пластинчатое строение перлита не различается, но полированная по-

верхность имеет характерный перламутровый блеск. Перлит, при обычных условиях охлаждения, образуется во всякой стали и чугуне.

Ледебурит - эвтектическая механическая смесь аустенита и цементи- та, которая формируется при кристаллизации железоуглеродистого сплава, содержащего 4,3 % углерода при температуре 1147оС. При температуре ниже 727оС ледебурит распадается на цементит и перлит. Ледебурит имеет твердость 700 НВ, обладает сотовым и пластинчатым строением. Ледебурит присутствует в белых чугунах.

Диаграмма состояния «железо-углерод» (рис.12) графически отражает в координатах «Содержание углерода»/«Температура сплава» структуру и состояние сплавов железа с углеродом при различном содержании углерода, дает представление о температурных и концентрационных границах существования этих сплавов.

Сталь, содержащая 0,02…0,8 % углерода, называется доэвтектоидной. Она состоит из перлита и феррита. В строительных конструкциях применя- ют малоуглеродистую сталь с содержанием углерода 0,09…0,22 %. Она отличается большой пластичностью, хорошей свариваемостью, для нее

не характерно хрупкое разрушение. Среднеуглеродистая сталь с содержанием углерода 0,25…0,5 % применяется в машиностроении. Сталь, содержащая более 0,83 % углерода, относится к заэвтектоидной. Заэвтектоидная сталь состоит из перлита и цементита. Это – высокоуглеродистая сталь, применяемая в инструментальной промышленности.

Соответственно чугун, содержащий 4,3 % углерода, называют эвтектическим; менее 4,3 % С – доэвтетическим и более 4,3 % - заэвтектическим. Механические свойства и область применения чугуна обуславливаются наличием примесей марганца, кремния, фосфора, серы и, главным образом, углеродной составляющей. В зависимости от вида углеродной составляющей различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны (рис.13).

Рис. 12. Диаграмма железо-цементит

Структура чугуна может включать перлит, феррит, цементит, графит. Механическими характеристиками чугуна можно управлять, влияя на изменение формы углеродной составляющей. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита и свободного углерода.

Белые чугуны – это чугуны, в которых весь углерод присутствует в виде цементита. Цементит придает излому чугуна белый цвет. Наличие цементита обуславливает повышенные твердость, хрупкость и износо-

стойкость. Белый чугун плохо обрабатывается резанием. Образованию цементита способствует присутствие в сплаве марганца.

Серый чугун представляет собой сплав Fe-C-Si с содержанием углерода в пределах 2,4…3,8 % и кремния в пределах 1…5 %. Свободный углерод в серых чугунах присутствует в виде графита пластинчатой формы. По составу различают серые чугуны с перлитной, ферритной и ферритно-перлитной основой. Свойства металлической матрицы серых чугунов аналогичны свойствам сталей. Пластинчатый графит снижает прочность чугуна при растяжении и уменьшает пластичность сплава, так как графитовые включения по сути представляют собой микродефекты. На прочность при сжатии и твердость графит не оказывает существенного влияния. Графит, образуя смазочные пленки, снижает коэффициент трения, повышает износостойкость чугуна и улучшает обрабатываемость резанием. Ферритные и ферритно-перлитные серые чугуны применяют для строительных конструкций. Перлитные чугуны используют для изготовления износостойких деталей.

Чугун, в котором свободный углерод присутствует в виде графита шаровидной формы, называют высокопрочным. При таком строении графитных включений металлическая матрица наименее ослаблена. Основа металлической матрицы высокопрочного чугуна такая же, как и в серых чугунах. Для получения графитовых включений шаровидной формы в жидкий чугун вводят 0,03…0,07 % щелочных или щелочноземельных металлов. Высокопрочные чугуны, имея хорошие литейные свойства и износостойкость, по механическим свойствам не уступают литой углеродистой стали и могут обрабатываться резанием. Применяются для изготовления ответственных деталей в тяжелом машиностроении – валов прокатных станов, траверс прессов.

Ковкие чугуны содержат углерод в виде хлопьевидного графита, образующегося из цементита при отжиге. Металлическая основа ковкого чугуна может быть ферритной или перлитной. Ферритный ковкий чугун получают из белого чугуна следующего химического состава: С – 2,4…2,8 %, Si – 0,8…1,4 %, Mn – 0,3…0,4 %. Отливки белого чугуна сначала отжигают, нагревая до 850…1000оС в течение 20…25 часов и выдерживая при этой температуре 10…15 часов. При этом распадается первичный и частично вторичный цементит. Вторая стадия отжига протекает при 720…740оС в течение 25…35 часов. При этом распадается цементит перлита. Излом ферритного ковкого чугуна имеет темный матовый цвет. Детали из него получают литьем с последующим отжигом. Перлитный ковкий чугун получают из белого чугуна следующего соста-

ва: С- 2,8…3,4 %, Si – 0,5…0,8 %, Mn – 0,4…0,5 %. Отжиг производят в

а б в

Рис. 13. Структура чугунов: а – серого; б – высокопрочного; в – ковкого

окислительной среде, засыпая отливки измельченной рудой, нагревом их до 1000оС и выдержкой при этой температуре в течение 51…57 часов. Затем медленно охлаждают на воздухе. При этом значительная часть углерода в поверхностном слое выгорает.

1.5. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

В состав обычных углеродистых сталей кроме железа и углерода

входят в небольшом количестве примеси кремния, марганца, фосфора, серы и кислорода. Их присутствие вызывается условиями получения стали. В обычных углеродистых сталях содержание кремния не превышает 0,35 % и марганца 0,9 %. В таких количествах они не оказывают существенного влияния на механические свойства сталей.

Фосфор относится к числу вредных примесей. Фосфор, образуя с α-железом твердый раствор замещения, сильно искажает кристаллическую решетку феррита, в связи с чем повышаются его твердость и хрупкость. Особенно повышается хрупкость стали при содержании фосфора более 0,2 %. Наличие фосфора в количестве более 0,045 % делает сталь хладноломкой, то есть хрупкой при низких температурах. Фосфор является сильно ликвирующим элементом, поэтому содержание его в сталях не должно превышать 0,05 %. Фосфор способствует росту зерен, что ухудшает механические свойства стали. В присутствии меди добавки фосфора могут улучшать обрабатываемость и повышать коррозионную стойкость сплава.

Сера, так же как и фосфор, - вредная примесь. Сера находится в ста- ли в виде химического соединения FеS, образуя с железом легкоплавкую эвтектику с температурой затвердевания около 985°С. Затвердевая в последнюю очередь, сернистое железо в составе эвтектики располагается по границам зерен, разобщая их хрупкой и непрочной оболочкой, что уменьшает прочность стали и повышает ее хрупкость. При нагреве стали до красного каления эти оболочки частично расплавляются, и прочная связь между зернами нарушается. Поэтому сталь с повышенным содержанием серы становится хрупкой при температуре красного каления, то есть проявляет красноломкость. Красноломкость делает ее не пригодной для горячей механической обработки. Кроме того, сера понижает коррозионную стойкость и свариваемость. Содержание серы в стали не должно превышать 0,055…0,035 %.

Повышенным содержанием кислорода характеризуются плохо раскисленные стали. Кислород находится в стали преимущественно в виде хрупких оксидов: FеО, SiO2, Al2O3. Оксид железа растворяется в железе, но при охлаждении растворимость снижается и оксид железа выделяется в виде хрупких шлаковых прослоек на поверхности зерен феррита, способствуя хладноломкости, красноломкости и понижению ударной вязкости. В спокойной стали 0,002…0,001 % кислорода, в кипящей — 0,03…0,08 %.

Азот присутствует в стали в виде нитрида Fe4N или в свободном виде, располагаясь в дефектах, трещинах, повышая хладноломкость. Повышенное содержание азота снижает пластичность стали.

Существенное влияние на свойства чугуна оказывает форма углеродной составляющей. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита и в виде свободного графита различной формы. Кремний способствует графитизации чугуна. Марганец в количестве 0,5…1,4 % препятствует графитизации. Фосфор не оказывает существенного влияния на процесс графитизации. Сера, являясь вредной примесью, ухудшает литейные свойства чугуна, увеличивает его усадку, повышает склонность к трещинообразованию, снижает температуру красноломкости. Чтобы устранить вредное влияние серы, в состав чугуна вводят марганец. Марганец образует с серой тугоплавкое соединение MnS – пластичный сульфид марганца, с температурой плавления 1620°С.

Рис.14. Микроструктура мартенсита

1.6. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

СТАЛИ

Термическая обработка стали имеет своей целью придать ей ту или иную структуру и, следовательно, повлиять соответствующим образом на ее свойства, поскольку последние определяются структурой металла. При этом под термином ―термическая обработка‖ понимают лишь такие приемы изменения внутреннего строения стали, при которых пользуются, как действующим фактором, исключительно только теплом, не прибегая к механическим воздействиям на обрабатываемый предмет, которые также изменяют структуру металла (например, явление наклепа).

Основой процессов термической обработки является полиморфизм железа и его твердых растворов, определяющих структуру стали. Термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенных температур с последующим охлаждением по заданному режиму. Различают три основных вида термической обработки стали: закалку, отпуск и отжиг.

1.6.1. Закалка

При медленном охлаждении стали происходит полный распад аустенита с образованием равновесной структуры, представленной ферритом и цементитом.

В процессе закалки получают сталь повышенной твердости. Закалку осуществляют нагревом стали до температуры на 30…40оС выше аустенитовых превращений с последующим резким охлаждением в жидкой среде. При этом происходит частичный распад аустенита, заключающийся в перестройке кристаллической решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную, но без выделения атомов углерода из образовавшейся решетки α-железа. Неравновесная структура стали, соответствующая

этой стадии распада аустенита, назы- вается мартенситной.

Таким образом, мартенсит пред-

ставляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Мартенсит отличается высокой твердостью и хрупкостью. Это обычная структурная форма закаленной стали, получающаяся из аустенита.

Закалке подвергают готовые изде-

лия с целью повышения их твердости

и прочности.

Неравновесная

структура

Твердость, НВ

Ударная вяз-

кость,

кГс/см3

Размер зерен

цементита, см

Мартенсит

600-650

Троостит

400-450

2-4

10-7-10

-6

Сорбит

250-300

8-12

10-5-10-4

1.6.2. Отпуск

Отпуск является заключительной операцией термообработки закаленной стали. Отпуск осуществляют с целью устранения внутренних напряжений, возникающих в изделиях при закалке, а также для понижения твердости и хрупкости закаленной стали. Известны 3 вида отпуска стали: низкий - когда температура нагрева не превышает температуры начала мартенситных превращений (150…200оС), средний (350…500оС) и высокий (500…680оС), когда мартенсит распадается вследствие диффузионных превращений и образуются соответственно троостит и сорбит. Отпуск стали заключается в нагреве ее ниже температуры закалки с последующим постепенным охлаждением на воздухе. При этом углерод может частично выделяться из кристаллической решетки α-модификации железа и образовывать мельчайшие зерна цементита. Режим отпуска обуславливает формирование той или иной неравновесной структуры стали. С повышением температуры отпуска прочность и твердость понижаются, а относительное удлинение и вязкость возрастают. Свойства неравновесных структур стали приведены ниже

Механические свойства неравновесных структур стали

Таблица 2

структурного состояния стали.

вызванную предшествующей обработкой. Отжиг первого рода применяют для гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Его производят при температуре выше и ниже температуры фазовых превращений. При гомогенизации крупные отливки и слитки нагревают до 1100…1200оС, выдерживают в течение 8…20 часов и медленно охлаждают.

1.6.3. Отжиг

Отжиг предпринимают для получения равновесного фазового и

Отжиг первого рода устраняет неоднородность строения металла,

Холодное деформирование металла приводит к наклепу – искажению упорядоченного кристаллического строения, которое сопровождается ростом внутренних напряжений в металле. Наклеп снимают при рекристаллизационном отжиге: металл нагревают выше температуры порога рекристаллизации, обычно до 700оС, выдерживают 0,5…1,5 ч и медленно охлаждают. Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для изделий после литья, сварки, резания, шлифования. В зависимости от вида обработки изделия нагревают до 160…700оС, выдерживают 2…3 ч и медленно охлаждают.

Отжиг второго рода снижает фазовую неоднородность стали и позволяет получить сталь равновесной структуры. Полный отжиг применяют для перекристаллизации доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна и снятия остаточных напряжений. При этом сталь нагревают на 30…50оС выше температуры аустенитовых превращений, выдерживают до завершения фазовых превращений и медленно охлаждают. Сначала образуется мелкозернистый аустенит, который при охлаждении переходит в мелкозернистый перлит. При нормализации, которая проводится с большей скоростью охлаждения, чем при полном отжиге, также протекает перекристаллизация стали и формируется мелкозернистая ферритно-цементитная структура. Прочность и твердость нормализованной стали почти на 20 % выше, чем у отожженой стали.

1.6.4. Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой называют процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев стальных деталей методом насыщения поверхности углеродом, азотом и другими элементами. Это тепловая обработка стали в химически активных средах для придания поверхноситным слоям твердости, износостойкости, усталостной долговечности, стойкости к электрохимической коррозии.

При азотировании предварительно закаленные и отпущенные изделия помещают в печь в герметически закрытой реторте, в которую поступает аммиак, и нагревают до 500…600°С. Аммиак диссоциирует по реакции

NH3 = N + ЗН.

Выделяющийся атомарный азот диффундирует в сталь и образует с

легирующими элементами и железом нитриды. Изделия, подвергнутые азотированию, приобретают твердость до 1200 НВ, повышенные предел усталости и сопротивление коррозии.

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]