ref-16340 (Лекции по материаловедению), страница 2

20. Полиморфные превращения в сплавах. Влияние превращений на структуру и свойства.

Полиморфизм – свойство металла изменять свою кристаллическую решётку под влиянием внешних факторов (температура, давление). Feα  Feγ. 42 металла имеют полиморфные превращения. Железо, титан, марганец, графит, алмаз, олово. Свойство используется при термической обработке.

21. Дисперсионное твердение. Сплавы, упрочняемые дисперсионным твердением.

Дисперсионное твердение – упрочнение сплавов в результате выделения мелких частиц второй фазы из пересыщенного твёрдого раствора. Дуралюминий (0,5-5,6% Cu) может быть упрочнён в результате дисперсионного твердения. Нагреваем дуралюминий в области α-тв. р-ра и быстро охлаждаем – закалка (задерживаем все диффузионные процессы), получаем пересыщенный α-тв. р-р. Весь Cu сосредотачивается в тв. р-ре. Прочность низкая после закалки σ_в  20 кг·с/мм². Если нагревать закалённый сплав, то начинается процесс дисперсионного твердения. Материал будет упрочняться. Процесс упрочнения тв. р-ра в результате выделения из него мелких частиц второй фазы. Старение – процесс выделения и коагуляции частиц второй фазы.

22. Понятие о термической обработке сплавов. Отжиг, закалка, старение (отпуск).

Термическая обработка – изменение структуры и свойств материала в результате нагрева и охлаждения в твёрдом состоянии. Отжиг - термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние, и приводящая металл в более устойчивое состояние. Закалка - термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим быстрым охлаждением для получения неустойчивого состояния сплава. Отпуск - термическая операция, состоящая в нагреве закалённого сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого состояния сплава.

2
3. Диаграмма состояния «Железо – цементит». Превращения в сплавах на основе железа при нагреве и охлаждении.

Feα от низких температур до 768°C, эта фаза имеет решётку о.ц.к., низкую прочность и твёрдость 80 HB, низкий предел текучести, удельный вес 7,8 г/см³, имеет магнитные свойства (ферромагнетик), растворяет углерод 0,006% при 20°C и 0,02% при 727°C. Твёрдый раствор углерода в Feα наз. феррит. Свойства феррита близки к свойствам чистого Fe. Feβ – о.ц.к., существует от 768°C до 910°C, растворяет углерод в небольших количествах, немагнитен, при 768°C теряет магнетизм, 768°C – точка Кюри, парамагнетик. В 910-1400°C существует Feγ, решётка г.ц.к., это железо немагнитно, растворяет 2,14% C при 1147°C. Раствор углерода в Feγ наз. аустенит, немагнитен, твёрже феррита, достаточно пластичен. Feδ существует в 1400-1539°C. 1539°C – плавление Fe. Переход Feα→Feγ происходит с изменением объёма (1%) (у α больше V). Fe₃C - 6,7% C, твёрдость 800 HB, Fe₃C – цементит, при низких температурах магнитен. Fe₃C→Fe+ Графит. При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита – ледебурит. [А+Ц] - 4,3% C. Феррит+цементит – Перлит. [Ф+Ц] – 0,8% C, твёрдость HB 800. Ла – [А+Ц], Лп – [П+Ц], А→П. Из жидкости выделяется Ц_I, из А - Ц_II, из Ф - Ц_III. До 2,14% C – стали, после – чугуны. Сначала жидкость переходит в аустенит, потом происходит переход жидкости в ледебурит аустенитовый (эвтектическая реакция), аустенит переходит в перлит (эвтектоидная реакция), аустенит переходит в феррит.

24. Равновесные структуры в сталях. Их свойства и условия получения.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Если изменяется состав сплава, его температура, давление и состояние сплава также изменяется, то это находит графическое отображение в диаграмме состояния. Она показывает устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

25. Стали. Классификация по качеству, структуре, назначению.

По структуре: технически чистое железо (0,006;0,02), доэвтектоидная (0,02;0,8), эвтектоидная (0,8) и заэвтектоидная сталь (0,8;2,14). Доэвтектоидная сталь: Ф+П, П – тёмный, твёрдый, HB 180, Ф – светлый, более мягкий, пластичный, HB 80. Эвтектоидная сталь: 100% П. Заэвтектоидная сталь: П+Ц. Ц – HB 800, П - HB 180. В процессе медленного охлаждения выделяется Ц_II по границам зёрен в виде сетки.

По назначению: 1) строительные до 0,03% C, металл легко деформируется, эти стали не закаливают, они не упрочняются; 2) машиностроительные, или конструкционные 0,3-0,6% C (валы, оси, детали машин), их можно закалить (изменить свойства), упрочняются за счёт термической обработки; 3) инструментальные 0,7-1,3% C, высокая прочность, твёрдость.

По качеству: 1) стали обыкновенного качества, самые дешёвые, плавка идёт всего 30 мин, примеси все не удаётся удалить (S 0,05% и P 0,05%), слитки крупные  10 т, ликвация сильная, пустоты отрезают, прибыль небольшая; 2) стали качественные, получаются мартеновским способом, S и P до 0,04% в сталях, разливаются в меньшие слитки, меньше ликвация, более дорогие, выше качество, делятся на конструкционные и инструментальные, качественные стали подвергаются упрочняющей термической обработке, поэтому в них важно знать содержание C; 3) кипящие стали, классифицируются по содержанию Si, в некоторых случаях можно понизить содержание Si для штампуемых сталей, Si – сильный раскислитель, C выводит O из стали (жидкого Me), создаётся вид, что сталь кипит, чем больше Si, тем спокойнее сталь, CO ослабляют Me, нужно, чтобы предел текучести был низким, используется для холодной штамповки; 4) высококачественные, получают в электропечах, выше температура, легче удалять вредные примеси; 5) автоматные стали, для обработки на станках-автоматах, стружка должна ломаться (мелкая), в стали оставляют повышенное содержание S до 0,1%, а P до 0,06%, это грязные стали, но хорошо обрабатываемые резанием (болты, шайбы); 6) легированные стали, Х - Cr, Г - Mn, Н - Ni, К - Co, В - W, Ф - V, Т - Ti, С - Si, Ю - Al.

26. Влияние примесей в стали. Классификация сталей по качеству в ГОСТ. Марки сталей.

Бывают вредные: S, P,O, N и полезные: Mn, Si. Сера попадает из кокса вместе с углём. Наиболее чистый древесный уголь, шведские стали самые чистые, т.к. делают на древ. угле. Сера вызывает красноломкость (в процессе прокатки сталь расслаивается, разъезжается). Обычно S в стали 0,02-0,05%. Сера увеличивает хрупкость стали. Влияние фосфора. Попадает из железной руды, создаёт хладноломкость – резкое снижение ударной вязкости при отрицательных температурах. P повышает температуру перехода в хрупкое состояние. Фосфор (много) должен снижать хладноломкость. Кислород, азо вызываю синеломкость. Немцы первые объяснили это явление. Если работают при 300-350° C, и сталь вдруг ломается, поверхность разлома синего цвета (паровые установки). Оказалось, что в структуре образуются нитриды Fe₄N на границах зёрен. В сталь добавляется Al  4г на тонну стали. Al связывает нитриды, синеломкость устраняется. Марганец имеется в стали 0,5-1,5%, иногда вводится дополнительно. Mn уводит S в шлак, освобождая сталь от S, снижает красноломкость. Mn – хороший раскислитель, отбирает кислород у стали. Mn ~ 0,5% в стали. Кремний действует подобно марганцу, является раскислиелем. Влияет сильнее, чем Mn. Si ~ 0,3-0,5% требуется. Si повышает предел текучести стали. Поэтому кремния много не вводится в сталь Штампуемая низкоуглеродистая сталь.

По качеству: 1) стали обыкновенного качества Сталь0 … Сталь3 … Сталь6, Ст.0 … Ст.3 (0,15-0,22% C)… Ст.6, углерод увеличивается; 2) стали качественные: конструкционные, C меньше 0,7% Сталь 08, 10, …45 …60, содержание C в стали в сотых долях % и инструментальные, C больше 0,7% У7…У13, содержание C в десятых долях; 3) кипящие стали 08КП (меньше Si, кипящая), С (больше Si, спокойная), ПС (полуспокойная); 4) высококачественные У7А … У13А; 5) автоматные стали А45Г (0,45% C, Г - Mn); 6) легированные стали 12ХН3А (0,12% C, Х - Cr 1,5%, Н - Ni 3%, А - высококачественная), ЭН-17…1000 (завод «Электросталь»), ЭП-1…1000, ЭК.

27. Стали, марки сталей. Область применения.

1) стали обыкновенного качества Сталь0 … Сталь3 … Сталь6, Ст.0 … Ст.3 (0,15-0,22% C)… Ст.6, самые дешёвые, плавка идёт всего 30 мин, слитки крупные  10 т, поставляют эти стали по механическим свойствам, не подвергаются термической обработке. 2) стали качественные: конструкционные, C меньше 0,7% Сталь 08, 10, …45 …60, содержание C в стали в сотых долях % и инструментальные, C больше 0,7% У7…У13, содержание C в десятых долях, разливаются в меньшие слитки, более дорогие, выше качество, подвергаются упрочняющей термической обработке, поэтому в них важно знать содержание C. 3) кипящие стали 08КП (меньше Si, кипящая), С (больше Si, спокойная), ПС (полуспокойная), классифицируются по содержанию Si, в некоторых случаях можно понизить содержание Si для штампуемых сталей, Si – сильный раскислитель, C выводит O из стали (жидкого Me), создаётся вид, что сталь кипит, CO ослабляют Me, нужно, чтобы предел текучести был низким, используется для холодной штамповки. 4) высококачественные У7А … У13А, получают в электропечах, выше температура, легче удалять вредные примеси, более дорогие; 5) автоматные стали А45Г (0,45% C, Г - Mn) , для обработки на станках-автоматах, стружка должна ломаться (мелкая), в стали оставляют повышенное содержание S до 0,1%, а P до 0,06%, это грязные стали, но хорошо обрабатываемые резанием (болты, шайбы);. 6) легированные стали 12ХН3А (0,12% C, Х - Cr 1,5%, Н - Ni 3%, А - высококачественная), ЭН-17…1000 (завод «Электросталь»), ЭП-1…1000, ЭК.

28. Стали марок Ст.4, 40. Состав, свойства и назначение в промышленности.

Ст.4: сталь общего назначения, обыкновенного качества, σ_В (410-530) МПа или (42-54) кгс/мм², σ_Т не менее 245 МПа или 25 кгс/мм², больше прочность, чем у Ст.1, меньше пластичность, C 0,18-0,27%, Mn 0,4-0,7, не подвергаются термической обработке, дешёвая. Для производства машин, станков, строительных металлоконструкций, предметов широкого потребления. 40: сталь качественная, конструкционная, содержание C в стали 0,4%, более дорогая, качество выше, подвергается упрочняющей термической обработке. Машиностроительное производство.

29. Ликвация в металлических сплавах, причины её вызывающие. Ликвация серы в стали, красноломкость.

Ликвация – это неоднородность свойств и строения в сечении материалов. Причиной ликвации является образование разного состава кристалла. Разное количество примесей – серы, фосфора, углерода. Сера вызывает красноломкость, в процессе прокатки сталь расслаивается, разъезжается. Обычно S в стали 0,02-0,05%. Сера склонна к ликвации. В процессе прокатки жидкость растекается. Борьба с красноломкостью: поднимается температура за счёт добавления в сталь марганца (FeMn). FeS + FeMn → 2Fe + MnS. Красноломкость уменьшается.

30. Стали. Превращения в стали при нагреве и охлаждении. Критические точки стали по Д.К. Чернову.

У стали кристаллизация заканчивается образованием аустенита, в структуре нет эвтектики (ледебурит отсутствует). Для сталей характерно: легко деформируются в горячем состоянии, со структурой аустенит. Температура плавления 1500-1550°C.

Кривая охлаждения чистого железа.

Остановки – критические точки, обозначаемые A. Их различают при нагреве и охлаждении. Ar₂ при охлаждении, Ac₂ при нагреве.

Превращения в стали.

31. Графитизация чугунов. Влияние на структуру и свойства. Факторы её вызывающие.

Процесс графитизации: Fe₃C→Fe+C_гр. Этот процесс можно ускорить (Si – графитизатор) или задержать (Mn – отбеливатель). Скорость охлаждения отливки влияет на графитизацию. Большая масса и медленное охлаждение, успевает пройти графитизация. Если небольшая масса, то белый чугун. Зависит от массы отливки. В серых чугунах, которые получаются медленным охлаждением жидкого чугуна, графит пластинчатой формы, в ковких – хлопьевидный графит, в высокопрочных – шаровидный. Графитизация проходит полностью, весь C в виде графита, цементит полностью распадается, получается чугун со структурой Ф+Гр, хрупкий, большая масса отливки. Графитизация проходит частично, образуется феррито-перлитовый чугун, прочность больше, возникает в более мелких отливках. Графитизация проходит слабо, перлитный чугун, графита мало, небольшие отливки, большая скорость охлаждения.

32. Влияние кремния, марганца и фосфора на свойства чугуна.

Влияние кремния (Si). Si – важнейший компонент чугунов. Обычные чугуны: Fe-C-Si, 2-3% Si. Si усиливает графитизацию: Fe₃C→Fe+Графит. Эта реакция ускоряется при увеличении содержания Si – графитизатора. Влияние марганца (Mn). Mn – раскислитель. FeO+FeMn→MnO_{(в шлак)}+2Fe, чугун очищается от кислорода. Задерживает процессы графитизации. Отбеливание – задерживает распад цементита (отбеливает чугун). Mn до 1%. Влияние фосфора (P). Улучшает жидкотекучесть (легче получить отливку). P до 0,2%, если художественное литьё, P до 0,1% - обычное литьё. Влияние серы (S). S ухудшает свойства чугуна. S до 0,1%. Если выплавляется в электропечах, то S до 0,05%.

33. Чугуны. Классификация чугунов по структуре. Марки чугунов по ГОСТ.

2,14-3,7% С. свойства чугуна зависят от структуры и от формы C, находящейся в структуре. Чугуны: Fe₃C – белые чугуны (на изломе светлые), C – чугуны с графитом. Графитизация Fe₃C→Fe+C_графит. В зависимости от формы графита: серые – пластинчатый графит СЧ25 (предел прочности 25 кгс/мм²), СЧ30, СЧ35, СЧ35, СЧ40, СЧ45; ковкие – хлопьевидный графит, ферритные: КЧ30-6, КЧ35-10 (предел прочности 35 кгс/мм², относительное удлинение 10%, твёрдость 149 HB, на ферритовой основе), КЧ37-12, феррито-перлитные: КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ60-3, КЧ63-2; высокопрочные – шаровидный графит ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2 (предел прочности 60 кгс/мм², предел текучести 40 кгс/мм², относительное удлинение 2%, твёрдость 200-280 HB, ВЧ70-2.