123243 (Материаловедение)

Вариант № 21

К/р № 1

1. Как устанавливается температура порога рекристаллизации металла и сплава? Приведите несколько конкретных примеров

Наименьшую температуру начала рекристаллизации (см. рис. 59), при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации.

Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д. Температурный порог ре-кристаллизации тем ниже, чем выше степень деформации, больше длительность нагрева или меньше величина зерна до деформации.

Температура начала рекристаллизации металлов, подвергнутых значительной деформации для технических чистых металлов составляет примерно 0,4 Тпл. (правило А.А.Бочарова), для более чистых металлов она снижается до 0,1 – 0,2 Тпл., а для сплавов твердых растворов 0,5 - 0,6 Тпл., а в некоторых случаях достигает 0,8 Тпл. Для алюминия технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен 100 °С. Практический отжиг проводят при 250-400 °С.

2. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,3% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Диаграмма железоуглеродистых сплавов может быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения в системе “железо-карбид железа”, и стабильном, отражающем превращения в системе “железо-графит”. Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния “железо-карбид железа”, т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме. Карбид железа (Fe₃C) называют цементитом, поэтому метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния “железо-цементит” (Fe-Fe₃C).

Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом в железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

Диаграмма состояния железо-цементит представлена на рис.1.

Рис.1. Диаграмма состояния железо-цементит

Компонентами в данной системе являются^- железо и цементит.

Железо: металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержи»: 99,999 % Fе, а технические сорта 99,8-99,9% Fe. Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две кристаллографические модификации: кубическую объемно-гентрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК) кристалллические решетки. Железо с ОЦК решеткой существует в двух температурных иннах: до 911°С и от 1392°С до 1539°С. До температуры 768°С железо ферромагнитно и его называют -железо ( ), а выше этой температуры - парамагнитно. Критическую точку (768°С), соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферро-магнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А .Парамагнитное железо с ОЦК решеткой обозначают -железо (Fе ). А железо в интервале температур 1392-1539°С обозначают железо (Fe ). В настоящее время нередко не различают Fe , Fe и Fe и называют железо с ОЦК решеткой - Fe различая только низкотемпературное Fe и высокотемпературное Fe. Период ОЦК решетки зависит от температуры: у низкотемпературного Fe -0,28606 нм, а у высокотемпературного Fe - 0,3649 нм.

В интервале температур 911°-1392°С железо имеет ГЦК-решетку и называется -железо (Fe ). Критическую точку ( рис. 1) превращения при 911°С обозначают А_З, а критическую точку ( рис. 1) при 1392°С обозначают А₄. Период ГЦК решетки равен 0,364 нм. ГЦК решетка более, компактна, чем ОЦК решетка. В связи с этим при переходе Fe в Fe объем железа уменьшается приблизительно на %. Fe парамагнитно.

Железо может растворять различные элементы, образуя с неметаллами твердые растворы внедрения, а с металлами твердые растворы замещения. Механические свойства технического железа характеризуются следующими величинами: предел прочности при растяжении 120МПа. Относительное удлинение 50%, относительное сужение твердость НВ 80. Эти показатели могут изменяться в некоторых пределах, т.к. на свойства железа влияет размер зерна, температура, наличие примесей.

Цементит (обозначают Ц) - карбид железа (практически постоянного состава) химическое соединение углерода с железом - Fe₃С, содержащее углерода 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую peшетку с плотной упаковкой атомов.

Цементит слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С (критическая точка Ао). Температуру плавления цементита трудно, определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260°С при нагреве лазерным лучем.

Механические свойства характеризуются высокой твердостью (>НВ800), но чрезвычайно низкой, практически нулевой, пластичностью. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов, а атомы железа - металлами. Такой твердый раствор на базе цементита называется легированным цементитом.

На диаграмме Fe- Fe₃С присутствуют следующие фазы: жидкий раствор ( L ), феррит ( ф, Fe ),аустенит (А, Fe (с)) и цементит (Ц).

Феррит - твердый раствор углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в низкотемпературном Fe = 0,02 % (т. P рис. 1), а в высокотемпературном Fe = 0,1 % (т. Н рис. 1). Столь низкая растворимость углерода в Fe обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях).

Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: = 300 МПа; = 40%; =70%; KCU = 2,5 МДж/м²; НВ 80-100.

Аустенит - твердый раствор углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в Fe = 2,14% (т. Е рис.1).

Механические свойства аустенита характеризуются меньшей пластичностью и большей прочность и твердостью (НВ 160-200), чем у феррита.

Линии диаграммы (рис.1):

1. АВСD - линия ликвидус

АНJECFD - линия солидус.

HJB - линия перитектического превращения (t - 1499°С).

В результате перитектической реакции образуется аустенит:

Реакция наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,51%. Причем, в сплавах, содержащих углерода от 0,1% до 0,16% после завершения реакции в избытке остается феррит, а в сплавах, содержащих углерода от 0,16% до 0,51% в избытке остается жидкость. Это связано с тем, что перитектическая реакция протекает при строгом количественном соотношении фаз, если какой-то из фаз вступает в реакцию больше оптимального количества - то она остается в избытке. Необходимое количество реагирующих фаз в данной системе определяется т. J (рис.1)

4.ECF - линия эвтектического превращения ( t°C - 1147°C).

В результате эвтектической реакции из жидкой фазы образуется смесь аустенита и цементита. Эта эвтектическая смесь называется ледебуритом (Л)

Реакция протекает у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2,14%. Состав смеси при температуре 727°С изменяется, т.к. аустенит превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит-смесь перлита и цементита. В ледебурите цементит, образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> НВ 700) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

5. PSK - линия эвтектоидного превращения (t°С=727°С). В результате эвтектоидного превращения из аустенита образуется смесь феррита и цементита. Эта эвтектоидная смесь называется перлитом (П); имеет вид перламутра, почему эта структура и получила такое название.

Эвтектоидное превращение протекает во всех сплавах системы, содержащих углерода более 0,02%.

Критические точки згой линии обозначают A . Перлит может иметь зернистое, но чаще имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей со следующими механическими свойства-ми: =800 900 МПа; =450 МПа; б 16%; НВ 180-220.