Очевидно, что механические свойства чугуна данного вида (т.е. с определенной формой графитных включений) определяются структурой металличе-

ской основы, т.к. от феррита к перлиту увеличивается содержание углерода, соответственно растут твердость и прочность, падают пластичность и ударная вязкость (см. рис. 2.1.3).

Свойства чугунов с данной структурой металлической основы зависят от формы графитных включений. Наихудшая форма графита в СЧ, т.к. острые концы пластин при нагружении являются очагами зарождения микротрещин. Особо низкий комплекс механических свойств получается, если пластин графита так много и они настолько длинны, что разобщают металлическую основу

Внимание!

Раздел 2.1 - первый раздел «Опорного конспекта», посвященный конкретным промышленным сплавам – углеродистым сталям и чугунам (наиболее применяемым материалам машиностроения). Особое внимание следует обратить на зависимость структуры и механических свойств сталей от содержания углерода, а также на структурные превращения, происходящие в сталях при их медленном охлаждении от высоких температур. Важно усвоить, что окончательная структура сталей формируется в результате перлитного превращения (А→охл Ф + Ц при Т ≤ 727 оС), обусловленного явлением полиморфизма в этих сплавах.

В следующей теме 2.2. будет показано, как влияет ускоренное охлаждение стали из аустенитного состояния на ее структуру и механические свойства. Происходящие при таком охлаждении процессы реализуются при закалке ста-

лей, являющейся первым этапом упрочняющей термической обработки. Заметим также, что знание материала темы 2.1 необходимо для выпол-

нения контрольных работ. Учитывая все это, рекомендуем помимо изучения данной темы выполнить лабораторные работы 4 и 5 (или хотя бы ознакомиться с их содержанием), а также не забыть про вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки к теме 2.1

1.Попробуйте начертить по памяти диаграмму состояния Fe-Fe3C (без левого верхнего угла) и указать характерные критические температуры и концентрации углерода, соответствующие различным группам сплавов.

2.Охарактеризуйте фазы, присутствующие в углеродистых сталях и белых чугунах. Каковы механические свойства этих фаз?

3.Какова причина наличия двух твердых растворов углерода в железе?

4.Укажите фазы в двухфазных областях диаграммы.

5.Какое превращение формирует окончательную структуру углеродистых сталей?

6.Каковы концентрационные интервалы (по содержанию С) и структуры эвтектоидной, до – и заэвтектоидных сталей?

7.Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии; что она собой представляет?

8.Каково содержание углерода в эвтектическом, до - и заэвтектических белых чугунах? Каковы их структуры?

9.Нарисуйте по памяти (качественно) зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода. Объясните ее.

10.На чем основана классификация углеродистых сталей по назначению? Приведите несколько марок сталей различного назначения, укажите содержание в них углерода.

11.Почему белые чугуны не используют в качестве конструкционных материалов?

12.От каких структурных факторов зависят механические свойства серых

чугунов?

13.Назовите различные виды серых чугунов. На чем основана эта классификация? Какова маркировка этих сплавов?

14.Опишите структуру наиболее прочного (теоретически) из всех разновидностей серых чугунов.

Промежуточные Тесты к теме 2.1

I.Каковомаксимальное(теоретически) содержаниеуглеродавсталях(в%):

1.6,67;

2.0,8;

3.2,14;

4.1,2;

5.4,3.

II. Укажите все кристаллические фазы, присутствующие в железоуглеродистых сплавах:

1.перлит;

2.феррит;

3.цементит;

4.ледебурит;

5.аустенит.

III. Укажите номера всех типовых структур металлической основы

различных видов серых чугунов:

1.феррит;

2.ледебурит;

3.феррит + перлит;

4.ледебурит + цементит первичный;

5.перлит.

IV. Наличиемкакойфазывструктуресерыечугуныотличаютсяотбелых:

1.аустенит;

2.графит;

3.цементит;

4.перлит;

5.феррит.

V. Какой химический элемент преобладает в сталях:

1.углерод;

2.хром;

3.железо;

4.никель;

5.кислород.

VI. С какой из перечисленных структур чугун должен обладать наибольшей прочностью:

1.шаровидный графит (Г) + феррит (Ф);

2.шаровидный Г + перлит (П);

3.пластинчатый Г + П;

4.хлопьевидный Г +Ф + П;

5.хлопьевидный Г + Ф.

VII. Укажите фазы, из которых формируется равновесная структура углеродистых сталей и белых чугунов при нормальных температурах:

1.аустенит;

2.феррит;

3.цементит;

4.ледебурит;

5.перлит.

VIII. Как изменяются твердость и пластичность углеродистых сталей с увеличением содержания в них углерода?

1.твердость и пластичность растут;

2.твердость и пластичность падают;

3.твердость растет, пластичность падает;

4.твердость падает, пластичность, пластичность растет;

5.твердость растет, пластичность не изменяется.

IX. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии при комнатной температуре:

1.феррит;

2.цементит вторичный;

3.перлит;

4.аустенит;

5.ледебурит.

X. По каким из перечисленных характеристик серые чугуны выгодно отличаются от углеродистых сталей:

1.антифрикционные свойства;

2.стоимость;

3.литейные свойства;

4.прочность;

5.пластичность.

XI. Какой из перечисленных материалов обладает наибольшей пластичностью:

1.эвтектоидная сталь;

2.доэвтектоидная сталь;

3.ковкий чугун на ферритной основе;

4.доэвтектический белый чугун;

5.техническое железо.

ТЕМА 2.2. УПРОЧНЯЮЩАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ (ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ ЗАКАЛКЕ И ОТПУСКЕ НА СВОЙСТВА СТАЛИ)

В предыдущей теме 2.1 был сделан важный вывод о том, что механиче-

ские свойства углеродистых сталей определяются количеством содержащегося в них углерода.

Свойства стали с данным содержанием углерода могут изменяться в широких пределах в результате термической обработки.

Для получения оптимальных механических свойств все ответственные стальные изделия из качественных углеродистых и, тем более, легированных1

сталей обязательно подвергаются упрочняющей термической обработке,

состоящей из закалки и отпуска.

2.2.1. ЗАКАЛКА ( ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ)

Закалка – это нагрев стали до аустенитного состояния, выдержка и последующее ускоренное охлаждение со скоростью V ≥ Vкр (Vкр – «критическая скорость закалки», см. ниже) с целью максимального повышения твердости и прочности. Подчеркнем сразу, что эффективное упрочнение стали при закалке обусловлено явлением полиморфизма этих сплавов (см. тему 2.1.1).

Обсудим последовательность структурных превращений, происходящих в стали в процессе закалки, на примере эвтектоидной стали (0,8 %С). Для удобст-

ва обсуждения на рис. 2.2.1 показан «стальной угол» диаграммы «Железо – цементит» (ср. с рис. 2.1.1)

Исходная структура эвтектоидной стали - перлит2 - эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита (см. рис. 2.1.2), в сокращенной записи – П(Ф+Ц).

1Стали, в которые специально вводятся примеси – легирующие элементы (см. ниже, раздел 2.3); очевидно, они еще дороже качественных углеродистых, поэтому экономически нецелесообразно использовать изделия из этих сталей в неупрочненном состоянии.

2Обычно перед закалкой делается отжиг для улучшения структуры заготовок и облегчения механической обработки. Отжиг – нагрев стали до аустенитного состояния и последующее медленное охлаждение с печью, в результате чего формируется равновесная структура в стали в соответствии с диаграммой Fe–Ц.

Опорный конспект 46 «Материаловедение»

Рис. 2.2.1. «Стальной угол» диаграммы «Железо–цементит» А1, А3, Асm – общепринятые обозначения критических линий

При нагреве сталей под закалку в них происходят превращения, обратные тем, которые были рассмотрены в теме 2.1.1. Так эвтектоидная сталь при Т > А1 (727 оС) приобретает однофазную аустенитную структуру, т.е.

П(Ф + Ц) нагр.→ А

Втеме 2.1.1 отмечалось, что при последующем охлаждении аустенит при

Т≤ А1, становится неустойчивым и распадается на смесь феррита и цементита, т.е.

рис. 2.2.2.

Левая С – образная линия на рис. 2.2.2 характеризует время (τ) начала, а правая – конца распада аустенита на смесь Ф и Ц (2.2.1) в зависимости от температуры изотермической выдержки. Для удобства обозначим эти линии буквами «н» и «к» соответственно.

Опорный конспект 47 «Материаловедение»

Т

А

(неравно- к весный) н

Рис. 2.2.2. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали1 (а) и характеристики перлитных структур (б).

Слева от линии «н» аустенит может какое-то время сохраняться в переохлажденном (относительно критической температуры А1=727оС), а значит неравновесном, неустойчивом состоянии. Правее линии «к» распад аустенита (2.2.1) завершается.

Степень дисперсности (величина, обратная размеру зерна) образующейся в результате феррито-цементитной смеси (Ф+Ц) зависит от конкретной температуры Т, при которой происходит распад переохлажденного аустенита, или,

что то же – от степени его переохлаждения

∆Т = А1 – Т (2.2.2)

С понижением температуры распада (увеличением ∆Т) быстро уменьшается скорость диффузионного роста образующихся кристаллов, т.е. происходит измельчение феррито-цементитной смеси, соответственно возрастает ее твердость.

В связи с этим принято различать три структуры перлитного типа:

1 Поскольку в до – и заэвтектоидных сталях помимо перлитного превращения (2.2.1) происходят изменения в структуре на линияхА3 и Асm диаграммы Fe–Ц, то и «С – диаграммы» этих сталей выглядят сложнее. Однако главные процессы, происходящие при закалке сталей, могут быть поняты с помощью наиболее простой диаграммы, приведенной на рис. 2.2.2.

перлит, сорбит, троостит1. Они имеют одинаковое строение (это смеси пластинок Ф и Ц), но отличаются степенью дисперсности, а значит и твердостью.

На рис. 2.2.2,б приведены усредненные характеристики (d - средняя толщина пластинок Ф и Ц, HRCэ - твердость) перлитных структур в эвтектоидной стали.

Все эти структуры получаются в результате превращения перлитного типа (2.2.1). Его протекание вызвано полиморфизмом железа и сплавов на его ос-

нове – сталей. Характерной чертой этого превращения является его диффузи-

онный механизм (благодаря высоким температурам ≈ 500…720оС и достаточно длительным временным выдержкам). Это видно из реакции (2.2.1), где несовпадение химического состава участвующих фаз означает активную диффузию атомов углерода.

На практике различные типы перлитных структур получают обычно не при изотермических выдержках, а при непрерывном охлаждении стали из аустенитного состояния с различными скоростями2. Степень дисперсности образующихся при этом феррито-цементитных смесей (и соответственно, тип перлитной структуры) зависит от величины скорости охлаждения V. Эта зависимость отчетливо проявляется, когда на С – диаграмму наносят кривые охлаждения Т=f(τ), наклон которых характеризует величину скорости охлаждения, т.к.

Очевидно, что на рис. 2.2.3 V1<V2<V3< V4. Из рисунка следует, что чем больше скорость охлаждения, тем при более низкой температуре происходит распад переохлажденного аустенита, тем более дисперсной и твердой получается перлитная структура: при скорости V1 – перлит, V2 – сорбит, V3 – троостит.

Видно также, что при скорости V ≥ V4 аустенит не успевает превратиться

1Названия последних структур – по фамилиям исследователей: Sorby и Troost.

2Это осуществляется использованием закалочных сред с различными охлаждающими способностями.