Лекции_Матвед_Минаков (Лекции), страница 10

Упрочняющая Т.О. сплавов с переменной растворимостью.Состоит из двух операций:А. Закалка сплавовЦель: получить пересыщенный твёрдый раствор замещенияУсловия проведения:- нагрев: нагрева > (для сплавов от т. о до т. f)немного [рядом жидкость; чтобы зерно не росло] выше [растворитьполностью ]нагрева < эвтектич.превращ. (для сплавов от т.

f до т. d)немного [рядом жидкость; чтобы не избавиться от эвтектики] ниже[растворить по максимому ]- выдержка: растворить всю фазу - охлаждение: в водеСтруктура: пересыщенный твёрдый раствор замещения со степеньюпересыщения − 0Свойства: min прочность и max пластичность → 2 строкиБ. СтарениеЦель: получение max прочности; выполняется на уже готовых деталях;Условия проведения:- нагрев: А что зависит от температуры старения? - 1 словостар 2 - оптимальная температура старения, ейсоответствует оптимальная стар опт- выдержка: стар опт ;- охлаждение: вохдух.- свойства: max прочность.стар опт + стар опт(лопатки ГТД) сплавы Ni-Al~ 750 ÷ 800 ℃ ~ 10 ÷ 15 час(супер пружины) сплавы Cu-Be320 ℃4 ÷ 6 часдюралюмины Al-Cuкомн или 180 ℃~4 сут [4 ÷ 6 час]технологическоеразделение процессастаренияестественное старениеискусственное старениеВ случае, если после протекания естественногостарения требуется вернуться ксвежезакалённому состоянию и восстановитьпластичность используют обработку «навозврат»:кратковременный (1-2 мин) нагрев до ~250 ℃ ибыстрое охлаждениеВ результате зоны Г-П растворяются, а фазовоестарение не успевает пройти за короткийпромежуток времени.Однако в тонкостенных изделиях снижаетсяИнкубационный период – сплав коррозионная стойкость, а в толстостенных – неимеет max пластичность и min успевает восстановится пластичность по всемупрочность (~ несколько час.

) сечению.Сплавы с переменной растворимостью (или стареющие сплавы, илидисперсионно-твердеющие сплавы)Цели Т.О.разупрочнитьдля механической обработкиотжигупрочнитьзакалка + [механическая обработка] +старение1 строкаI, II, III, IV и V сплавыКакие сплавы нельзя упрочнить? 1 строкаКакие сплавы можно упрочнить? 1 строкаКакие сплавы можно хорошо упрочнить?1 строкаКакие сплавы испытывают самое сильноеупрочнение? 1 строка§ 4. Т.О. сплавов, компоненты которых имеют полиморфноепревращениеПолиморфное превращение наблюдается во многих сплавах: в сталях,чугунах, в двухфазных алюминиевых бронзах, в сплавах на основе титана и др.Принципы Т.О.

для таких сплавов одни и те же, разница только внекоторых особенностях фазового превращения.Т.О. для таких сплавов будем изучать на примере1 строка1 строка10 делений ~ 14-15 см10 делений ~ 14-15 см~ 1,5 см1/4~ 3 см1/31/3½ ½1/41/41/41/4~ 8 см1/3~ 1,5 смчуть выше 10-го делениячуть ниже 10-го делениячуть правее, чем координата 0,02 % Счуть ниже 9-го деления½ ½чуть ниже 8-го деленияполовина между 6-м и 7-м делениямиполовина между 2-м и 3-м делениямичуть правее, чем координата 0 % Счуть выше 4-го деленияКомпоненты:→ ЖелезоПереходный металл серого цвета; атомный номер 26; плавл = 1539 ℃; плотность = 7,68 гΤсм3 ; атомный радиус = 1,26 Å; предел прочности В =250 МПа; пластичность = 50 %; твёрдость 50 .В твёрдом состоянии может находится в двух кристаллографическихмодификациях – с ОЦК решёткой и ГЦК решёткой.Полиморфные превращения в железесвязаны с перестройками решёток:- при 911 ℃ ↔ ;- при 1392 ℃ ↔ 2 обозначения→ УглеродНеметаллический элемент; атомный номер 6; плотность = 2,5 гΤсм3 ; атомныйрадиус ≅ 0,77 Å.Углерод может находится в нескольких аллотропических модификациях (алмаз,графит, лонсдейлит, карбин, фуллерены, углеродные нанотрубки, аморфныйуглерод).Фазы:→ Расплав (ненасыщенный жидкий раствор Fe и С): ж;→ Твёрдые растворы 1 словоФ (max 0,02 % С) ()Феррит (Ф)ОЦК решёткаФ (max 0,1 % С) ()(от лат.

ferrum — железо)В феррите растворено очень мало углерода, эта фаза «практически чистоежелезо», а значит по свойствам близка к нему (предел прочности В = 300 МПа;пластичность = 40 %; твёрдость 80 ), т.е. феррит – очень мягкая ипластичная фаза.Аустенит (А)А (min 0,8 % C () ГЦК решётка(в честь английскогоmax 2,14 % С)учёного Р. Аустена)В аустените растворено больше углерода, поэтому он твёрже и прочнее, чем феррит(твёрдость 160 ), при этом аустенит – это пластичная фаза (пластичность =25 %).→ Цементит (Ц)Это промежуточная фаза – химическое соединение углерода с железом (карбиджелеза 3 ). Появление цементита в сплавах Fe-C как высокоуглеродистой фазыпроисходит вследствие того, что растворимость углерода в или мала.Имеет ромбическую решётку.Цементит имеет узкую область гомогенности – 6,67 –6,69 % С.

На диаграмме состояния может указыватьсяузкой областью, а может и прямой линией.Цементит – очень твёрдая, твёрдость ~ (800) HB(легко царапает стекло), и чрезвычайно хрупкая фаза.При температуре ниже 210 ℃ слабо ферромагнетен.Микроструктуры:аустенита, при травлении привысоких температурах, х500феррита в техническом железе, х450Фазовый анализСтруктурный анализРассмотрим превращения при кристаллизации расплавов в зависимости отсодержания углерода:1) Сплавы с 0 ÷ 2,14 % СПри достижении линии HJB (1499 ℃) сплав ж0,16 претерпевает безвариантноепревращение (C = K – Ф + 1 = 2 – 3 +1 = 0), оно перитектическое: ж + Ф → При этом превращение идёт при строго определённом соотношении фаз:ж 0,35 6; при нарушении пропорции одна из фаз остаётся в===Ф 0,06 1избытке.Итог: в сплавах с 0 ÷ 2,14 % С после кристаллизации в конечном итогеобразуется только одна фаза – аустенит.2) Сплавы с 2,14 ÷ 6, 69% СПри достижении линии ECF (1147 ℃) сплав ж4,3 претерпевает безвариантноепревращение (C = K – Ф + 1 = 2 – 3 +1 = 0), оно эвтектическое:жс → эвтектика [ + Ц ]эвтектика [ + Ц ] называется ледебуритом (в честь немецкого учёного К.Ледебура);жс → Л [ + Ц ]А 2,39 50 %==≅Ц 2,16 50 %Ледебурит – крайне хрупкая структурная составляющая (твёрдость ~ (600) HB),т.к.

содержит ~ 50 % цементита, и цементит в ледебурите – основа.Цементит, выделяющийся из жидкости называют первичным и обозначают как Ц .Итог: в сплавах с 2,14 ÷ 6,69 % С после кристаллизации в конечном итогеструктура состоит из двух составляющих – аустенита (или первичного цементита)и хрупкого ледебурита.Сплавы Fe-Cстали1 строка1 строкав чём отличие ?чугуны«детский ответ»1 строка«инженерный ответ»1 строка4 строкиА ещё точнее ответ? → Нужно рассмотреть структуры сплавов прикомнатной температуреРассмотрим превращения сплавов в твёрдом состоянии (вторичнаякристаллизация) в зависимости от содержания углерода:1) Сплавы с 0 ÷ 2,14 % СПри достижении линии PSK (727 ℃) сплав0,8 претерпевает безвариантное превращение (C = K– Ф + 1 = 2 – 3 +1 = 0), оно эвтектоидное:А → эвтектоид [Ф + Ц ]эвтектоид [Ф + Ц ] называется перлитом (от фр.

perle – жемчужина);А → П [Ф + Ц ]Ф 5,89 87 % 7==≅≅Ц 0,78 13 % 14 словаПерлит –(предел прочности В ≅ 850 МПа;пластичность ≅ 15 %; твёрдость 200 ),имеющая пластинчатое строение.Линия SE – линия переменной растворимости, показывающая, что приохлаждении концентрация углерода в аустените уменьшается от 2,14 % до0,8 % → из аустенита выделяется цементит (который называют вторичным Ц )Линия PQ – линия переменной растворимости, показывающая, что приохлаждении концентрация углерода в феррите уменьшается от 0,02 % до0,006 % → из феррита выделяется цементит (который называют третичным Ц )Цементитная сетка вокруг зёрен феррита меньше, т.к.растворимость углерода в феррите меньше, чем ваустените, значит Ц выделится мало.2) Сплавы с 2,14 ÷ 6, 69 % СИтогВсе сплавы (кроме технического железа) Fe-C после окончания вторичнойкристаллизации имеют одинаковый фазовый состав – феррит+цементит, однакоструктуры у сплавов разные (по-разному смотрятся в микроскоп).

Принятоделить сплавы Fe-C следующим образом:Сплавы Fe-Cтехническоежелезо (Армкожелезо)сталичугуны2,14 ÷ 6,69 % С0,02 ÷ 2,14 % С(реально до 5 % С)(реально до 1,5 % С)Фазы – Ф и ЦФазы – Ф и Ц0 ÷ 0,02 % СЦементита ≥ ферритаферрита >>> цементитаосновная фаза –в структуре всегда есть перлит в структуре всегда есть ледебуритферритЧугуны с такой структуройв структуре нетназываются белыми (по цветуперлитаизлома), из-за чрезвычайнойхрупкости не имеютприменения. Однако имеют4 строкипревосходные литейныесвойства.техническое железо(0,01 % С), х450заэвтектоидная сталь(1,3 % С), х450эвтектический чугун(4,3 % С), х450доэвтектоиднаясталь (0,3 % С), х450перлитэвтектоидная сталь(0,8 % С), х450цементитвторичныйдоэвтектическийчугун (3,0 % С),х450заэвтектический чугун(5,0 % С), х450Пример построения кривой охлаждения на сплаве 3,5 % С.§ 4.2.

ЧугуныЧто имеем: белые чугуны с хорошими литейными свойствами, но чрезвычайнохрупкие из-за наличия большого количества Ц.Идея: надо избавиться от Ц, и перевести углерод в свободную форму в видеграфита (Гр).Процесс образования Гр (3 → 3 Ф + (Гр)) называется графитизацией.Структура белых чугунов: Л(П[Ф+Ц]+Ц), ЦI , ЦII , П(Ф+Ц).Графитизацияполная (избавление от ЦI и ЦII ,частичная (избавление от ЦIЦ, входящего в Л, и Ц,и ЦII , а также Ц, входящего незавершенная полнаярезультат – Ф+П+Гр входящего в П) результат - Ф+Грв Л) результат - П+ГрВопрос: Как ?В области «1» идёт образованиецементита, т.к. в этой области работа,требуемая на образование зародыша Ц идиффузионные изменения меньше, чемГр.В области «2» идёт образование Гр, т.к.Гр – более устойчивая фаза посравнению с Ц.изменение свободной энергии системыОбразование Гр происходит в узкоминтервале температур, т.е.

при малойстепени переохлаждения. Этотпроцесс очень медленный, и напрактике не наблюдается.Вопрос: Как ? – Два способа.1) добавление химическихэлементов (графитизаторов),способствующих образованиюГр и варьирование скоростиохлаждения при кристаллизации;2) распад цементита придостаточной диффузии углеродак центрам кристаллизации Гр исамодиффузии Fe от мест, гдевыделился Гр, осуществляемый впроцессе отжига белого чугуна.Диаграммы: сплошные линии – Fe – Fe3 C(метастабильная диаграмма)пунктирные линии – Fe – Гр(стабильная диаграмма);ГЭ – графитовая эвтектика.1-ый способ – введение графитизаторов при кристаллизации и регулированиескорости охлажденияГрафитизатором является кремний Si.Вопрос - Сколько добавить кремния и как охладить? Ответ – посмотреть вструктурную диаграмму для чугунов.влияние Siвлияние охл (толщины отливки)I – белые чугуны – Л(П+Ц), Ц, П (мало Si);II – половинчатые чугуны – Л(П+Ц), Ц, П, Гр (недостаточно Si) – не используется;Для серых чугунов (названы так из-заIII – перлитный чугун – П+Грцвета излома - тёмный) и дляIV – феррито-перлитный чугун – Ф+П+Грвысокопрочных(т.к.имеютV – ферритный чугун – Ф+Грнаибольшую прочность)Графит в серых чугунах имеет пластинчатую форму.В микроструктуре помимо графитовыхвключений различают и металлическуюматрицу (П или Ф+П, или Ф)Маркировка(ГОСТ 141285)микроструктурасерого чугуна (безтравления), х100СЧ10, СЧ15внешний вид Гр ввиде лепестковСЧ20, СЧ25«СЧ» – серый чугун; «10 (15), (35)...» –предел прочности при растяжении (вкгсΤмм2 [10 МПа ≅ 1 кгсΤмм2 ])СЧ30, СЧ45Свойства серых чугунов зависят от:структуры металлической матрицы (чембольше Si в сером чугуне, теминтенсивнее прошла графитизация, тем прочность меньше); и формы и размеровграфитовых включений (чем больше Si, тем больше образуется пластинок Гр,играющих роль «надрезов» и ослабляющих металлическую матрицу).микроструктурыСерые чугуны используют для изготовления:серых чугунов, х250- ферритные и феррито-перлитные – арматура,канализационные люки, сковороды, колосники печей);- перлитные – фундаментные плиты, станины станков илипоршни, цилиндры, детали, работающие на износ, блокидвигателей (только после модифицирования ферросилициемс 0,6 % [для уменьшения пластинок графита]);- антифрикционные (АЧС: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3) –ферритныйподшипников скольжения, втулок, работающих при трении.Две проблемы серых чугунов:1) пластинчатый Гр уменьшает прочность нарастяжение, пластинки являются концентратораминапряжений, низкую пластичность ( = 0,5 ÷ 0,7 %);феррито-перлитный2) добавки Si уменьшают литейные свойства(невозможно вылить деталь с тонкими стенкамисложной формы).перлитныйрешение проблемы № 1 – в жидкий расплав добавлять присадки Mg (0,03-0,08 %)Под действием Mg графит приобретает шаровидную формуМаркировка(ГОСТ 729385)ВЧ40, ВЧ35ВЧ45ВЧ50, ВЧ60шаровидный Грмикроструктуравысокопрочногочугуна (безтравления), х250«ВЧ» – высокопрочный чугун; «40 (50),(100)...» – предел прочности прирастяжении (в кгсΤмм2 [10 МПа≅1 кгсΤмм2 ])Высокопрочные чугуны используютдля изготовления:- автостроение (коленчатые валы,крышки цилиндров)- тяжёлое машиностроение (деталипрокатных станов, траверсы прессов)- как антифрикционный материал.Высокопрочные чугуны имеют болеевысокие механические свойства (т.к.шаровидный Гр не является активнымконцентратором напряжений) ивысокую пластичность ( = 10 ÷15 %), но Si всё равно присутствует,поэтому литейные свойства плохие.микроструктуры высокопрочных чугунов,х150перлитныйферритныйрешение проблемы № 2 - 2-ой способ – отжиг белого чугуна на ковкий.В результате выдержек при отжиге Цраспадается на ГрМаркировка(ГОСТ 7293-85)950-1000 ℃720-740 ℃КЧ35-10, КЧ3712заготовка избелого чугунаКЧ45-7КЧ50-5, КЧ70-2«КЧ» – ковкий чугун; «37, (50), (80)...»– предел прочности при растяжении (вкгсΤмм2 [10 МПа ≅ 1 кгсΤмм2 ]); «-10,(-7), (-2)» - пластичность, %микроструктурахлопьевидный Гр ковкого чугуна (безтравления), х250Ковкие чугуны используют для изготовления:- автостроение (коленчатые валы, крышкицилиндров)- детали, испытывающие высокиединамические и статические нагрузки(картеры редукторов, ступицы, крюки,муфты, фланцы);- детали сложной формы с тонким сечением(батареи, т.е.