Структурообразование в конденсированных средах Тема 7. Структурообразование в тройных системах. (6 часов) Тема 8. Железо и система железо - углерод. (6 часов) Тема 9. Термическая обработка. (10 часов) Тема 10. Легированные стали. (6 часов). Тема 11. Сплавы на нежелезной основе. (6 часов) ДЗ + контрольная работа по теме 7 ДЗ + коллоквиум по теме 8
Тема 8. Железо и система железо – углерод (6 часов)
Железо – Fe, химический элемент VIII группы периодической системы элементов, атомный номер 26, атомная масса 55.847 а.е., по внешнему виду - блестящий серебристо-серый пластичный металл. Широкое применение сплавов на основе железа (стали и чугуны) обусловлено его дешевизной, большим содержанием железа в земной коре (5.1%), легкостью извлечения из его оксидов. Особенно важным свойством железа является его аллотропия, то есть наличие нескольких кристаллических модификаций, что дает возможность существенно изменять физические и механические свойства железных сплавов с помощью различных внешних тепловых, химических, радиационных и других видов обработок. Температура плавления чистого железа равна 1539 С (точка А на диаграмме Fe - C – рисунке 4.8), кипения – 3200 С. Плотность железа – 7.874 г/см3. Твердость железа зависит от чистоты металла, твердость чистого железа по Бринеллю равна 490 МПа (49 НВ). Механические свойства железа: предел прочности при растяжении в=300-350 МПа, относительное удлинение =40%, поперечное сужение =70%, то есть железо является высоко пластичным материалом. Наиболее важными с точки зрения промышленного использования сплавов на основе железа являются следующие физические свойства железа: намагниченность насыщения IS =1.7 Тл, удельное электросопротивление 9.7 мкОм см, удельная теплоемкость 3.31 Дж/кг К.
Как уже упоминалось выше, железо может существовать в нескольких кристаллических модификациях, а именно, при низких температурах ниже 910 С - -железо с объемно-центрической кубической (ОЦК) решеткой, при средних температурах в интервале температур от 910 до 1401 С - -железо с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой, и при высоких температурах в интервале температур от 1401 С до температуры плавления 1539 С высокотемпературное -железо с объемно-центрической кубической решеткой.
модификация сингония Тип структуры «а», нм Т,К α - Fe Кубич. ОЦК α - Fe 0,286653 0-1183 γ - Fe Кубич. ГЦК Cu 0,36467 1183-1663 δ - Fe Кубич. ОЦК α - Fe 0,29322 1663-1808 ε – Fe При Р более 13,0 ГПа ГПУ Mg А3 - 300-1200
модификация сингония Тип структуры «а», нм «с», нм алмаз Кубич. С А4 0,3566 графит Гексагон. С А9 0,24612 0,67079 β - графит Ромбоэдрич. С Ам 0,2461 1,0064 карбин Гексагон. С 0,8948 1,4078
Однофазное техническое железо – сплав с содержанием углерода от 0 до 0,006 %С по массе (например, I на схеме).
Двуфазное техническое железо – сплав с содержанием углерода от 0,006 до 0,025 %С по массе (например, II на схеме).
содержит 0,8 %С, масс.; микроструктура – перлит; перлит – пластинчатый эвтектоид, состоящий из чередующихся пластин цементита и феррита
сплавы с содержанием углерода от 0.025 до 0,8 %С по массе; фазовые составляющие - и Fe 3 C ; структурные составляющие – феррит избыточный и перлит (на фото сверху сталь 20 и сталь У6)
сплавы с содержанием углерода от 0.8 до 2,06 %С по массе; фазовые составляющие - и Fe 3 C ; структурные составляющие – цементит вторичный и перлит (на фото сталь У10 - сверху после травления 3% раствором азотной кислоты в спирте, снизу - пикратом натрия )
lgL= 4-9х10 -3 Δ Т, где L – растояние между пластинами перлита, Δ Т - переохлаждение Структурно-размерное соответствие: (101) Ц и (112) Ф или (001) Ц и (125) Ф
Причины: - перегрев стали (образуется крупное зерно аустенита); - ускоренное охлаждение (на воздухе).
сульфиды оксиды
Обусловлена: - Дендритной ликвацией повышенным содержанием серы в стали; горячей пластической деформацией
Аустенизация - процесс образования аустенита при нагреве стали; Перлитное превращение – в процессе охлаждения или изотермической выдержки при температуре ниже Ас 1
Полный отжиг; Неполный отжиг; Сфероидизирующий отжиг Изотермический отжиг; Нормализационный отжиг (нормализация); Патентирование
проводится для доэвтектоидных сталей при температуре на 20-40 выше Ас 3 с последующим охлаждением со скоростью 200 град/ч формируется структура состоящая из избыточного феррита и перлита устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, деформации, сварке)
проводится для доэвтектоидных сталей при нагреве до температуры выше Ас 1, но ниже Ас 3 применяется ограниченно, так как при температуре неполного отжига избыточный феррит не исчезает, а соответственно часть пороков стали не устраняется используют для смягчения стали перед обработкой резанием, поскольку образуется мягкий перлит. Это позволяет снизить стоимость обработки
отжиг при Т=740-780 о С с последующим медленным охлаждением со скоростью 200 /ч. При этом происходит сфероидизация цементита цель – получить зернистый цементит, что повышает пластические свойства заэвтектоидной стали применяют циклический или маятниковый отжиг для полной сфероидизации цементита (циклы нагрева-охлаждения от 740 о С до 680 о С и обратно структура стали У12 после сфероидизирующего отжига
метастабильные сплавы, содержащие от 2,06 до 6,67 %С (по массе). Различают доэвтектические, эвтектический и заэвтектические белые чугуны
В ходе эвтектической реакции образуется смесь ( + Fe 3 C) 4,3%C. Эта эвтектическая смесь называется ледебурит. В процессе охлаждения доля цементита в ледебурите возрастает, что практически не заметно из-за дисперсности структуры. При эвтектоидной реакции аустенит в составе ледебурита распадается на эвтектоидную смесь ( + Fe 3 C) 0, 8 %C. Такой ледебурит называют превращенным.
Т= 72 7 o C- T и 20 о С реальная микроструктура Т=1147 o C + T Т=1147 o C - T Т= 72 7 o C + T
При комнатной температуре Фазовые составляющие: и Fe 3 C Структурные составляющие: ледебурит превращенный, цементит вторичный и перлит
При комнатной температуре Фазовые составляющие: и Fe 3 C Структурные составляющие: ледебурит превращенный и цементит первичный
Название: СЧ на ферритной основе Содержание углерода в металлической основе 0 < С связ <0,025 %C, масс Микроструктура Эвтектическая реакция Эвтектоидная реакция Фазовые составляющие , Fe 3 C, Гр Структурные составляющие Феррит, графит
Название: СЧ на феррито-перлитной основе Содержание углерода в металлической основе 0,025< С связ < 0,8 %C, масс Микроструктура Эвтектическая реакция Эвтектоидные реакции Фазовые составляющие , Fe 3 C, Гр Структурные составляющие Феррит, перлит, графит
Название: СЧ на перлитной основе Содержание углерода в металлической основе С связ = 0, 8 %C, масс Микроструктура Эвтектическая реакция Эвтектоидная реакция Фазовые составляющие , Fe 3 C, Гр Структурные составляющие перлит, графит
Название: СЧ на перлито-цементитной основе Содержание углерода в металлической основе 0,8 < С связ < 2,0 6 %C, масс Микроструктура Эвтектическая реакция Не используется, хрупкий Эвтектоидная реакция Фазовые составляющие , Fe 3 C, Гр Структурные составляющие перлит, графит, цементит вторичный
Содержание углерода в металлической основе 2,0 6 < С связ < 6,67 %C, масс Микроструктура Эвтектические реакции Эвтектоидная реакция Фазовые составляющие , Fe 3 C, Гр Структурные составляющие Ледебурит превращенный, перлит, цементит вторичный, графит
при введении в жидкий чугун небольших количеств (порядка 0,1 %) поверхностно активных веществ, например магния, при кристаллизации возникают шаровидные включения графита Серый чугун Модифицированный высокопрочный чугун относительное удлинение 0,2 0,8 % 10 12 % предел прочности в 120 380 МПа 600 700 МПа
Термическая обработка чугунов графитизирующий отжиг нормализация Отжиг белого чугуна на ковкий низкотемпературный смягчающий отжиг отжиг для устранения отбела графитизирующий отжиг сталей
Первая стадия – отжиг при 900-1050 о С, 10 ч. Происходит графитизация - цементит растворяется, образуется углерод отжига, на который при охлаждении наслаивается вторичный графит вторая – отжиг при 760-720 о С, происходит эвтектоидный распад аустенита на феррит и графит. Идет наслоение эвтектоидного графита на углерод отжига и вторичный графит отжиг на первой стадии в нейтральной среде способствует формированию ковкого чугуна на ферритной основе, а отжиг в окислительной среде – формированию ковкого чугуна на перлитной основе В основном такой обработке подвергают доэвтектический белый чугун, так как в таком чугуне высока склонность к охрупчиванию, обусловленная большим количеством вторичного цементита по границам перлита
В тонких сечениях отливок из серого и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом из-за ускоренного охлаждения кристаллизуется ледебурит, вследствие чего излом чугуна становится белым. Это явление называется отбеливанием чугуна, оно приводит с ухудшению механических свойств чугуна отжиг 850-950 С в течение 0,5-5 ч с последующим охлаждением на воздухе Цель - улучшение обрабатываемости резанием и повышения пластичности отбеленного чугуна Вместо отбела получается серый чугун на перлитной или на феррито-перлитной основе
Режим отжига - 670-750 о С в течение 1-4 ч Цель - снижение твердости и улучшение обрабатываемости резанием серых чугунов на перлитной или на феррито-перлитной основе Процессы – 1) частичная графитизация перлитного цементита; 2) частичная сфероидизация цементита
Общность процессов графитизации Проводится для заэвтектоидных сталей с 1-2% Si, 5-10% Ni (кремний и никель способствуют графитизации) Компактные включения графита в заэвтектоидной стали обеспечивают в графитизированной стали хорошие антифрикционные свойства и сопротивление изнашиванию
упрочняющая термообработка. Она не очень распространена, т.к. не дает большого упрочнения в серых чугунах с пластинчатым графитом. Нормализацию в основном используют для высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. В процессе такой обработки происходит аустенизация и последующее перлитное превращение. Режим - 850-950 о С 0,5-3 ч с охлаждением на воздухе или в воздушной струе. После аустенизации структура состоит из графита и аустенита, при выдержке растет количество растворенного в металлической основе углерода (С связ ) и при охлаждении образуется перлитная или сорбитная основа. Устраняется свободный феррит и растет дисперсность основы – твердость (НВ, МПа) увеличивается от 150 до 200-250.
аустенизация стали при температуре выше А c 3 охлаждение до температуры ниже Ас 1 с изотермической выдержкой Перлитная структура Величина переохлаждения Скорость охлаждения Межплас-тинчатое расстоя-ние, мкм Твердость стали У8, НВ, МПа Перлит От Ас 1 до 650 о С 1 град/мин (с печью) 0,5-1 мкм 170-230 Сорбит От 650 до 600 о С 10 град/мин (на воздухе) 0,4-0,2 мкм 230-330 Троостит От 600 до 550 о С 10 град/сек (в масле) менее 0,1 мкм 330-400
В результате более резкого охлаждения формируется более тонкая структура чем при отжиге. Частично подавляется выделение избыточных фаз. Чаще всего проводят как промежуточную операцию для устранения пороков стали и смягчения перед резанием. аустенизация при температуре на 30-50 градусов выше GSE последующее охлаждение на воздухе
применяют для сталей с содержанием углерода 0,45-0,85%; проволока имеет ферритно-цементитную структуру с очень малым межпластинчатым расстоянием ( сорбит патентирования ), избыточные фазы не успевают образоваться и вся структура является квазиэвтектоидной Используют перед волочением канатной, пружинной и рояльной проволоки, чтобы не было обрывов при волочении нагрев стальной проволоки на 150-200 о С выше Ас 3 Выдержка в соляной или свинцовой ванне с температурой 450-550 о С
