Ответы на вопросы к экзамену по металлам, страница 3

= заэвтектоидные, содержащие от 0,8% до 2% С, структура которых состоит из перлита и цементита.

Углеродистая сталь промышленного производства – сложный по химическому составу сплав. Кроме основы – железа (содержание которого может колебаться в пределах 97,0-99,5%), в ней имеется много элементов, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), либо невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными примесями (хром, никель, медь и др.).

В зависимости от способа выплавки (мартеновский, конвертерный и др.) стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей. Однако один элемент, а именно – углерод, вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому при малом содержании всех прочих возможных примесей основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава железа, является углерод. Естественно, что эти сплавы (при С<2%) называются углеродистыми сталями.

Твёрдость и прочность стали могут быть увеличены в результате термической обработки в два-три раза (если сравнивать с отожжённым состоянием, медленно охлаждённым), а модули упругости при этом изменяются менее чем на 5%.

с изменением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8% С, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8% С, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,*%, то структура стали состоит из феррита и перлита.

Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности.

Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в том или ином количестве постоянно присутствующие в технических сортах стали. Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами, %: 0,8 Mn; 0,5 Si; 0,05 P; 0,05 S.

При большем содержании их сталь следует отнести к сорту легированных, когда эти элементы введены специально (отсюда и название легированные стали или специальные стали).

= Марганец. Этот элемент вводят в любую сталь для раскисления.

= Кремний. Аналогично марганцу.

= Фосфор. Создаёт хрупкость, облегчает обрабатываемость стали режущим элементом, а в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

= Сера. Облегчает обрабатываемость резанием. Влияет на вязкие свойства. Понижает порог хладноломкости, хотя и понижает ударную вязкость при вязком изломе.

= Газы.

= Примеси цветных металлов. Повышают порог хладноломкости.

В соответствии с ГОСТ 380-71 стали разделяются на три группы:

а) Группа А – с гарантированными механическими свойствами (сталь не подвергается горячей обработке)

б) Группа Б – с гарантированным химическим составом (сталь подвергается горячей обработке)

в) Группа В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (для сварных конструкций)

Сталь группы А маркируется буквами Ст и номером 0, 1, 2, 3 и так далее. Чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность. Если после марочного обозначения стоит «кп» - значит, сталь кипящая, если стоит «пс» - сталь полустойкая и если «сп», то сталь спокойная.

Сталь группы Б. Ст0 можно применять лишь в самых неответственных случаях.

Сталь группы В (изготовляется мартеновским или конвертерным способом) маркируется буквой В и цифрой. Сталь ВСт1 имеет механические свойства, как Ст1, а химический состав – как МСт1кп. То же модно сказать и о стали ВСт2, ВСт3 и так далее.

Белый чугун. Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Фазовый состав белого чугуна (при нор­мальной температуре) цементит и феррит. Следовательно,. в белом чугуне весь углерод находится в форме цементита, степень графити­зации равна нулю. Белый чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью, практически не поддается обработке режущим инстру­ментом.

Структура белых чугунов, а также и условия их образования были рассмотрены ранее.

Серый чугун. Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит, количество, формы и размеры которого изменяются в широких пределах. Таким образом, в сером чугуне имеется графит, а в белом его нет.

В микроструктуре чугуна следует различать металлическую основу и графитные включения.

По строению металлической основы чугун разделяют на:

= перлитный чугун. Структура его состоит из перлита с включениями графита. Как известно, перлит содержит 0,8 % С, следовательно, это количество углерода в сером перлитном чугуне находится в связанном состоянии (т. е. в виде Fе₃С), остальное коли­чество находится в свободном виде, т. е. в форме графита;

= феррито - перлитный чугун. Структура этого чугуна состоит из феррита + перлит и включения веретенообразного гра­фита. В этом чугуне количество связанного углерода меньше 0,8 % С;

= ферритный чугун. В этом чугуне металлической осно­вой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присут­ствует в форме.

Из рассмотрения структур указанных трех видов чугуна можно заключить, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной стали, доэвтектоидной стали и железа.

Следовательно, по структуре серые чугуны отличаются от стали только тем, что в чугунах имеются графитные включения, пред­определяющие специфические свойства чугунов.

Графит в чугуиах может быть в четырех основных формах:

= пластинчатый графит. В обычном сером чугуне графит обра­зуется в виде лепестков; такой графит называется пластинчатым.

= вермикулярный графит - в виде червеобразных прожилок

= шаровидный графит. В современных так называемых высоко прочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния (или церия), графит приобретает форму шара.

= Хлопьевидный графит. Если при отливке получит белый чугун, а затем, используя неустойчивость цементита, с помощью отжига разложить его, то образующийся графит приобретает компактную, почти равновесную, но не округлую форму. Такой графит называется хлопьевидным или углеродом отжига. В практике чугун с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

Таким образом, чугун с пластинчатым графитом называют обычным серым чугуном, с червеобразным графитом – серым вермикулярным; чугун с шаровидным графитом – высокопрочным чугуном и чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.

Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений.

Чугун можно рассматривать как сталь, испещрённую большим количеством пустот и трещин. Чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна.

Самые низкие механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют замкнутый скелет.

Обычный промышленный чугун - не двойной железоуглеродистый сплав - он содержит те примеси, что и углеродистая сталь, т. е. марганец, кремний,_ серу и фосфор, но в большем количестве, чем сталь. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах .колеблется в широ­ких пределах: от 0,3-0,5 до 3-5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре - от малокремнистого белого до высококремнистого фер­ритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровид­ным графитом).

Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.

Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья 0,08 %, для более крупного, когда можно до­пустить несколько худшую жидкотекучесть, до 0,1-0,12 % S.

Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор - полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидко­текучесть. Это объясняется образованием относительно легкоплавкой тройной эвтектики, плавящейся при 950ºС. В момент затвердевания эвтектика состоит из аустенита, обогащенного фосфором, цементитом и фосфидом железа Fе₃Р - «Стэдит».

Твердые участки фосфидной эвтектики повышают общую твёрдость и износоустойчивость чугуна.

Кроме этих постоянных примесей, в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными. Если примеси содержались в рудах, из которых в доменной печи выплавляется чугун, то такие чугуны называются природно-легированными. Наи­более часто чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном. Хром препятствует, а медь и никель способствуют графи­тизации чугуна.

В настоящее время еще нет удовлетворительно разработанной теории, объясняющей влияние легирующих элементов на графи­тизацию.

Серый чугун маркируется буквами СЧ (серый чугун) и двумя цифрами, которые показывают минимальное значения предела прочности чугуна на растяжение.

Высокопрочный чугун (ВЧ) также подразделяется на отдельные марки в зависимости от механических свойств, причём основными показателями являются предел прочности при растяжении и относительное удлинение.

Ковкий чугун маркируется следующим образом: КЧ означает ковкий чугун. Затем ставят число, показывающее , и число, показывающее .

1. Пластическая деформация металлов и сплавов. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов (наклеп). Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла. Возврат. Рекристаллизация. Холодная и горячая деформация.

Приложение к материалу напряжения вызывает деформацию.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решётке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

При пластическом деформировании одна часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании.

Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причём между зёрнами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).

Упрочнение стали под действием пластической деформации называется наклёпом, или нагартовкой. Пластическая деформация осуществляется путём перемещения дислокаций.

Кристаллическая структура пластически деформированного ме­талла характеризуется не только искажением кристаллической ре­шетки, но и определенной ориентировкой зерен - текстурой.

Беспорядочно ориентированные кристаллы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации.

С увеличением деформации степень текстурованности возрастает и при больших степенях деформации достигает 100%, то есть все зёрна оказываются одинаково ориентированными. В результате деформации зерно только деформируется, сплющивается и из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепёшки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения.

С увеличением деформации уменьшается плотность металла. Уменьшение плотности при большой степени пластической деформации обусловлено образованием пор внутри и между зёрнами (так называемая деструкция).

Пластическая деформация вызывает изменение внутреннего строения зерна и его формы, а после определённой её величины и уменьшение плотности из-за образования несплошностей (пор).

Небольшой нагрев (для железа 300-400^ОС) снимает искажения решетки (как результат многочисленных субмикропроцессов - уменьшение плотности дислокаций в результате их взаимного уничтожения, так называемая аннигиляция, слияния блоков, уменьшение внутренних напряжений, уменьшение количе­ства вакансий и т.д.). Линии на рентгенограммах деформированного металла, размытые вследствие искажений решетки и нарушений ее правильности, вновь становятся четкими. Снятие искажений ре­шетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом. В результате этого процесса твердость и прочность несколько понижаются (на 20-30 % по·сравнению с ис­ходными), а пластичность возрастает.

Наряду с этим, т. е. с отдыхом (возвратом), может происходить еще так называемый процесс полигонизации, заключающийся в том, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собира­ются, образуя стенку и создавая ячеистую структуру, которая может быть устойчивой и может затруднить процессы, развивающиеся при более высокой температуре.

Рекристаллизация, то есть образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Сопоставление температур рекристаллизации различ­ных металлов показывает, что между минимальной температурой рекристаллизации и температурой плавления существует простая зависимость ( - абсолютная температура рекристаллизации; - абсолютная температура плавления; - коэф­фициент, зависящий от чистоты металла). Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. У металлов обычной технической чистоты . Температура рекристаллизации сплавов, как правило, выше температуры рекристаллизации чистых металлов и в некоторых случаях достигает . Наоборот, очень чистые металлы имеют очень низкую температуру рекристаллизации: и даже .

После того, как рекристаллизация (1 стадия) завершена, строение металла и его свойства становятся прежними, то есть которые он имел до деформации.

Кроме чистоты металла, минимальная температура рекристаллизации зависит также и от степени предшествующей деформации. Чем больше степень деформации, чем более искажена структура, тем менее она устойчива, тем больше её стремление принять более устойчивое состояние. Следовательно, большая степень деформации облегчает процесс рекристаллизации и снижает минимальную температуру рекристаллизации.