Контрольные вопросы для самопроверки по разделу 2.3.

1. Что понимают под механическими свойствами? Какие из них в основном определяют

работоспособность судовых конструкций и деталей?

2. Какие бывают виды деформаций и в чем их сущность?

3. Какие бывают виды напряжений и в чем их сущность?

4. Что понимают под рекристаллизацией? В чем ее сущность?

5. Как определить температуру рекристаллизации металла (сплава)?

6. Что понимают под критической степенью деформации?

7. Какая деформация и почему необходима для получения мелко­зернистой структуры после

рекристаллизации?

8. Какие факторы влияют на размер зерна рекристаллизованного металла?

9. По каким формулам определяются характеристики прочности, пластичности и ударной вязкости

материалов при соответствующих испытаниях?

10. Какие условные обозначения соответствуют относительному удлинению и сужению, пределу

прочности и ударной вязкости?

11. Как изменяется кристаллическая решетка при упругих де­формациях на соответствующем участке

диаграммы растяжения?

12. Два материала имеют следующие механические характеристи­ки - 1) _в = 500 МПа;  = 20% и 2) _в =

500 МПа;  = 2%. Какому из них следует отдать предпочтение при изготовлении детали?

13. Что понимают под твердостью металла?

14. По какой формуле определяется твердость по методу Польди?

15. Каковы преимущества метода определения твердости по Роквеллу?

16. Где применяется определение твердости по методу Польди?

17. Какую форму имеет индентор при различных методах опреде­ления твердости?

18. Какой из методов определения твердости является более точным?

19. Какая аббревиатура соответствует твердости, измеренной методами Бринелля и Роквелла?

20. Какие еще методы определения твердости известны?

21. Каковы особенности механических свойств полимеров и чем они объясняются?

Иллюстрации к теме 2 и другим темам раздела «Материаловедение» – см. Сборник наглядных пособий на сайте.

Тема 3. «Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов». Углеродистые стали и чугуны, легированные стали, состав легирующих элементов

Образовательный идеал 21-го века: учиться познавать, учиться делать, учиться жить и

учиться жить вместе. Современный подход к образовательным технологиям:

перенос акцентов с методов «выучи», «запомни», «используй свой и чужой опыт»

к методам обучения человека мышлению. Воспитание в 21-м веке – творческое приспособление

[ Ю.П.Адлер и автор]

3.1. «Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов».

Ключевые слова:Превращения, происходящие в сплаве в зависимос­ти от концентрации его компонентов и температуры. Фазы и струк­турные составляющие сталей и чугунов: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит.

Диаграмма состоянияметаллических сплавов вообще представляет собой графическое изображе­ние всех превращений, происходящих в сплаве в зависимости от кон­центрации его компонентов и температуры. Построение ее произво­дится экспериментально, по критическим точкам превращений в спла­вах при их нагреве и охлаждении. Изучая диаграмму состояния спла­ва можно получить четкое представление о тесной взаимосвязи структуры и свойств материала, его кристаллическом строении и фа­зовом составе.

Диаграмма состояния Fe-Cдает представление о строении железоуглеродистых сплавов: сталей и чугунов. Первое представление об этой диаграмме дал Д.К.Чернов, который впервые указал на сущест­вование в стали критических точек. Он обнаружил, что при темпера­туре примерно 700°С существует критическая точкаA₁, ниже кото­рой сталь не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали. Вторая критическая точка А₃- переменная и зависит от содержания углерода в стали. Учитывая, что железо с углеродом образует ряд химических соединений: Fе₃С,Fe₂Cи др., указанную диаграмму мож­но рассматривать по частям. Предметом нашего изучения будет первая часть диаграммы Fe-C, диаграмма Fe-Fе₃С. Это объясняется тем, что на практике применя­ются металлические сплавы с содержанием углерода не более 5%, а ближайшим по содержанию углеродахимическим соединением является цементит или Fе₃С, содержащий углерода 6,67%.Таким образом, при разборе диаграммы состояния Fe-C в качестве одного из компонентов рассматривается железо, а другого - химическое соединение Fе₃С. Чтобы понять диаграмму Fe-C необходимо в первую очередь оз­накомиться со строением и свойствами исходных компонентов этой системы: железом и цементитом.

Железо -26-й элемент таблицы Д.И. Менделеева. На практике используется технически чистое железо с содержанием примесей 0,1...0,2% и температурой плавления 1535^оC. В зависимости от тем­пературы железо, как мы уже рассматривали, существует в разных кристаллических формах или, как их называют, в разныхполиморфных модификациях:,,и. (См. график кривой охлаждения чистого железа в учебниках).

Типовые показатели механических свойств железа следующие: _в250 Н/мм²,т120 Н/мм²,50%,86%, НВ = 800 Н/мм², а300Нм/см².

Со многими элементами железо образует твердые растворы.Наи­больший интерес представляет образование растворов углерода в же­лезе, которые существенно зависят от того, в какой кристаллической форме существует Fе. Так, растворимость углерода в- железе составляет около 0,02%. а в- железе - до 2,14%, т.е. в 100 раз больше. Твердые растворы внедрения углерода в -и- железе называ­ются соответственно ферритом и аустенитом.

Ферритобозначается буквой Ф,илиFe. Его основные меха­нические свойства: НВ ~ 600,_в= 330 Н/мм²,= 40%.

Аустенитобозначается буквой А, ,или Fe. Его основные ме­ханические свойства: НВ - 1600,_в= 750 Н/мм²,= 60%.

Цементит – химическое соединениеобозначается буквой Ц или Fе₃С, имеет сложную кристаллическую решетку, характер связи между атомами Fе и С точно не установлен. Температура плавления цементита около 1600^OС, твердость НВ=8000, нулевая пластичность, при 217^OС теряет свои магнитные свойства.Цементит - соединение неустойчивое и в опре­деленных условиях может разлагаться на железо и углерод в виде графита, что имеет большое значение в процессе структурообразования чугуна.

Упрощенная диаграмма состояния Fe-Fе₃Сприведена на рис. 4.1.

По оси абсцисс на диаграмме приведено содержание углерода и це­ментита. Количество цементита в сплаве равно 15-кратному содержанию углерода.

Линия АСДдиаграммы называетсялинией ликвидуси соответствует температурам начала кристаллизации сплавовFe-C. Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии.

Лидия AECF -линия солидуси соответствует температурам кон­ца кристаллизации. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в двухфазном состоянии: жидком и твердом.

Кристаллизация сталей начинается с образования аустенита(точки 1 на рис. 4.1). После полного затвердевания (точки 2 на рис. 4.1.) все стали состоят из аустенита. При дальнейшем охлажде­нии до линииGSEструктура сталей не изменяется.

Линия GSотносится к сталям с содержанием углерода до 0,8% и соответствует температурам выделения феррита из аустенита, т.е. ниже точки 3 на рис. 4.1 сталь будет состоять из аустенита и фер­рита, причем выделение феррита приводит к повышению содержания углерода в аустените до 0,8%.

Лилия SEотносится к сталям с содержанием углерода более 0,8% и соответствует температурам выделения цементита вторичного из аустенита, т.е. ниже точки 4 на рис. 4.1 сталь будет состоять из аустенита и вторичного цементита, выделение которого снижает содержание углерода в аустените до 0,8%.

Горизонтальная линия на диаграмме, линия PSK,соответствует протеканию следующей эвтектоидной реакции:

т.е. аустенит концентрации точки Sпри температуре 727°С разлага­ется на феррит концентрации точки Р и цементит концентрации точки К, соответствующей 6,67%С.

В результате этой реакции образуется эвтектоидная смесь фер­рита и цементита называемая перлитом(вид перламутра). Эта реак­ция происходит у всех сплавов системы, содержащих С > 0,02%, т. е. практически у всех промышленных железоугдеродистых сплавов. Эту реакцию называютэвтектоидным или перлитным превращением. Основ­ные механические свойства перлита пластинчатого: НВ2000,= 800 Н/мм²,= 10%; перлита зернистого – НВ1800,= 650 Н/мм²,= 20%.

По структуреуглеродистые стали классифицируют надоэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные сталисодержат более 0,02%, но менее 0,8% уг­лерода. Ее структура состоит из светлых зерен феррита и темных зерен перлита, представляющих в свою очередь зерна феррита, про­низанных пластинами цементита (рис. 4.2, г и д).

С увеличением содержания углерода количество феррита в доэвтектоидных сталях уменьшается, а перлита увеличивается. Так как практически весь углерод находится в перлите, то содержание угле­рода в доэвтектоидной стали можно определить по формуле, в %:

С = 0,8 F_n/ 100, (1)

где F_n- площадь, занимаемая перлитом, %.

Эвтектоидная стальсодержит 0,8 %С и имеет перлитную струк­туру. В поле зрения микроскопа эвтектоидная сталь с пластинча­тым перлитом отчетливо выявляет форму цементита в виде темных прожилок на светлом фоне феррита (рис. 4.2, а). При большей степе­ни дисперсности цементитных частиц и при малых увеличениях двух­фазное строение перлита может не выявляться. В этих случаях перлит под микроскопом, при травлении стали 4%-ным раствором НNО₃в спирте, имеет сплошной темный фон.

Заэвтектоидная стальсостоит из перлита и вторичного цемен­тита, располагающегося в виде сетки или зерен (рис. 4.2, б, е). В этих сталях содержание углерода может быть ориентировочно опреде­лено по следующей формуле, %

С = (0,8 F_n+ 6,67 F_ц)/100, (2)

где F_ц - площадь, занимаемая вторичным цементитом, в %.

После травления 4%-ным раствором НNО₃в спирте цементит под микроскопом имеет вид бедой составляющей, также как и феррит, а перлит - вид темной составляющей. Чтобы отличить по микроструктуре цементит от феррита, шлиф, протравленный 4%-ным раствором НNО₃в спирте повторно полируется, а затем травится щелочным раствором пикрата натрия, который окра­шивает цементит в темный цвет.

Анализ диаграммы состояния железо-углерод показывает,что содержание углерода в стали определяет ее строение и структуру. В связи с этим интересно проследить влияние углерода на основные механические свойства стали (рис. 4.3).

Из этого рисунка видно, что с увеличе­нием в стали углерода возрастает твер­дость НВ и предел прочности _в, умень­шается относительное удлинение , су­жение  и ударная вязкость а_н. При дальнейшем увеличении в стали углерода (более 0,9% С) твердость возрастает, а предел прочности уменьшается. Это объ­ясняется тем, что по границам зерен выделяется вторичный цементит, образу­ющий сплошной каркас вокруг перлитных зерен (рис. 4.2,е). При испытании на растяжение нагрузка воспринимается прежде всего этим каркасом. Цементит, будучи хрупким, разрушается, что при­водит к преждевременному разрушению образца и снижению предела прочности.

Таким образом, зная микрострукту­ру стали, мы можем по соответствующим зависимостям определить содержание в стали углерода и ее марку, а пользуясь зависимостями рис. 4.3 - значение основных ее механиче­ских свойств.

Кристаллизация чугуна (сплав III на рис. 4.1) начинается с образования аустенита в точке 5. В точке 6, как и в любой другой точке линии ECF, протекает реакция по формуле:

т.е. жидкость концентрации точки С при температуре 1147°С разлаг­ается на аустенит концентрации точки Е и цементит концентрации точки F. Эта эвтектическая смесь (от слова эвтектика - легкопла­вящийся) получила название ледебурит. Таким образом, после полного затвердевания (сплав ниже точки б) микроструктура чугуна будет состоять из аустенита, цементита вторичного и ледебурита.

При дальнейшем охлаждении сплава, до линии PSK, структура чу­гуна не изменяется. Ниже линии PSK, из-за протекания известной эвтектоидной реакции, структура чугуна будет состоять из П+Ц_П+Л(П+Ц_П). При этом аустенит ледебурита также перешел в пер­лит. Аналогичные рассуждения можно провести и для чугуна с содержанием углерода более 4,3%, например, для сплава IV.

По структуре чугуны классифицируют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Доэвтектические чугуны содержат более 2,14%, но менее 4,3% углерода. Его структура состоит из темных зерен перлита, светлых цементита вторичного и ледебурита представляющего собой, в свою очередь, темные точки перлита на светлом фоне цементита, (рис. 4.4,6). С увеличением содержания углерода количество ледебурита увеличивается, а перлита и цементита вторичного уменьшается, пе­реходя в ледебурит с содержанием углерода 4,3%.

Эвтектический чугун содержит 4,3% С и имеет структуру леде­бурита, светлого фона цементита, усеянного темными зернами перли­та (рис. 4.2,а). Заэвтектический чугун состоит из ледебурита и первичного цементита (рис. 4.4, а). Зерна ледебурита в виде серых участков, усеянных мелкими темными включениями перлита, как бы пронизаны светлыми крупными пластинками первичного цементита. Рассмотренные чугуны в изломе имеют белый оттенок и поэтому получили название белых; в них весь углерод находится в связанном состоянии, в виде Fе₃С (цементита). Такие чугуны отличаются высо­кой твердостью и используются в основном для передела в сталь. При длительном отжиге белого чугуна цементит распадается на железо и углерод, происходит так называемая графитизация, когда углерод выделяется в свободном виде, в виде графита. В зависимос­ти от технологии обработки, графит может быть выделен в виде пластин, хлопьев и шаров (рис. 4.4,г-з).Такие чугуны называются соответственно серыми, ковкими и высокопрочными.