Konspekt_po_materialovedeniy (804371), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В его основе:1) Изменение физических свойств твердых растворов существенно нелинейно зависитот их химического состава.2) Изменение свойств механических смесей линейно связано с изменениемотносительного количества кристаллов в смеси.15Эта связь позволяет:1) При исследовании новых сплавов и определении их свойств существенно сократитьобъем исследований, так как характеристика соответствующего графика известна.2) На основе характеристик изменения свойств сплава уточнить соответствующиеструктуры превращения в нем.Сплавы железа и углерода.Диаграмма железо-цементит.Диаграмма Fe-Fe3C является частью диаграммы железо-углерод.Общие принципы построения диаграммы.В основе всех превращений лежат следующие явления:1) Наличие у железа нескольких вариантов кристаллической(аллотропические модификации).
Для чистого железа существуют диапазоны:решеткиИзменение типа решетки приводит к существенному изменению физических свойств.В дальнейшем высокотемпературная область Feδ рассматриваться не будет, так как непредставляет интереса. Будем считать, что от 911° C до 1539° C – область Feγ.2) Различная растворимость углерода в кристаллической решетке железа взависимости от типа решетки и температуры.3) Образование химического соединения с собственной кристаллической решеткой.Это соединение нерастворимо в железе и практически не растворяет углерод.16Обозначения на диаграмме.А – аустенит – ограниченный твердый раствор внедрения углерода в кристаллическойрешетке Feγ.
Тип решетки – ГЦК. Максимальная растворимость углерода – 2,14% притемпературе 1147° C (точка Е на диаграмме). Устойчива от температуры плавления сплавовдо tmin = 727° C. Особенность: с понижением температуры устойчивость А обеспечивается вовсе более сужающемся диапазоне растворимости углерода. При температуре tmin = 727° C Аустойчив только при определенном содержании углерода (0,8%) – точка S. При падениитемпературы ниже 727° C А распадается и переходит в П.П – перлит – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита.Содержание углерода – 0,8% .Образуется в результате перераспределенияуглерода в А при t < 727° C. Строение: слоистая структура из пластинок Ф иЦ.Ф – феррит – ограниченный твердый раствор внедрения углерода в кристаллическойрешетке Feα; ОЦК-решетка; содержание углерода – меньше 0,006% при t=20° C.
Из-замалого содержания углерода по свойствам Ф аналогична чистому железу.Ц – цементит – химическое соединение Fe3C – карбид (сложная кристаллическаярешетка). С = 6,67%. Ц – самая высокоуглеродсодержащая фаза. Это самый твердый ипрочный из всех сплавов.ЛА – ледебурит аустенитный – эвтектическая смесь фаз А и Ц. Образуется притемпературе 1147° C (линия ECD).ЛП – ледебурит перлитный – эвтектическая смесь фаз П и Ц. Образуется из ЛА притемпературе <727° C в результате распада А.Основные линии на диаграмме.ACB – линия ликвидус.AECD – линия солидус.ECD – линия эвтектического превращения; С – точка эвтектики (ледебурит).SE – линия предельной растворимости С в А; ниже линии С выделяется в виде ЦII.GS – нижняя граница устойчивости А; ниже линии часть кристаллов А теряет С ипревращается в Ф, остальные кристаллы получают С и остаются устойчивыми.PSK – линия эвтектического превращения; ниже линии А переходит в П.PM – линия предельной растворимости С в Ф; избыточный углерод – в виде ЦIIIGP – верхняя граница ферритной области; для любой двухфазной области диаграммыприменимо правило отрезков.Диаграмма делится на области по содержанию углерода: 0–2,14% – сталь (0–0,8% –17доэвтектоидная сталь, 0,8–2,14% – заэвтектоидная сталь); 2,14–6,67% – чугун (2,14–4,3% –доэвтектический чугун, 4,3–6,67% – заэвтектический чугун).Превращения в сплавах Fe и С.В технике применяется железо с содержанием углерода до 2,14%.1) Доэвтектоидная сталь:Для 4–4': k = 2; f = 3 (Ф + А + Ц); с = 2–3+1=0 (t =const).1–2 – первичная кристаллизация А из жидкости2–3 – охлаждение А (превращений нет)3–4 – диффузионное перераспределение углерода,образование Ф, повышение содержания углерода в А.4–4' – распад А, образование П.Ниже 4' – охлаждение сплава, выделение избыточногоуглерода из Ф (ЦIII).1) Заэвтектоидная сталь:1–2–первичнаякристаллизация,образованиеаустенитной структуры2–3 – охлаждение твердого сплава (превращений нет)3–4 – вторичная кристаллизация; 3 – образованиенасыщенного твердого раствора углерода в Feγ.
Понижениетемпературы приводит к диффузии избыточного углерода кграница зерен, в результате на границах образуются зоны свысоким содержание углерода, которые превращаются в Ц.4–4' – эвтектоидное превращение А в П; 4' – конецпревращения; t = 727° C =const .Ниже 4' – остывание сплава, идет процесс третичнойкристаллизации, ЦIII из феррита (теоретически).1) Доэвтектический чугун:1–2 –кристаллизация аустенита.2–2' – кристаллизация эвтектики ЛА (t = 1147° C);2' – конец первичной кристаллизации, жидкости нет.2'–4 – образование вторичного цементита.4–4' – эвтектоидное превращение А в П.Ниже 4' – остывание сплава.Особенность белого чугуна: высокое содержаниев белом чугуне цементита обеспечивает ему высокуютвердость, прочность и хрупкость, поэтому в технике онпрактически не применяется.
В технике применяютсяграфитизированные чугуны; в их структуре углеродприсутствует в свободном виде в виде графита.Термическая обработка стали.Термическая обработка – комплекс мероприятий, направленных на изменениевнутреннего строения сплава и его свойств и заключающийся в сочетании определенныхэтапов нагрева и, выдержки и охлаждения с заданной скоростью.181) Нагрев. Основная характеристика – скорость нагрева. Выбор скорости нагреваопределяется характером распределения температуры внутри детали. В результатенеравномерного нагрева деталь может разрушиться.Термические напряжения.2) Выдержка. Температура нагрева – определяющий параметр. В зависимости оттемпературы меняется характер диффузионных процессов.
Коэффициент диффузии:−QD = D0 e RT , где D – постоянная; Q – энергия активации; T – температура. Время выдержки –второстепенный параметр, выбирается так, чтобы а) обеспечить равномерное распределениетемпературы по требуемому объему металла б) обеспечить завершение необходимыхпроцессов.3) Охлаждение. Скорость охлаждения – критический параметр. В зависимости отскорости охлаждения процессы в структуре могут быть а) диффузионными (малая скорость)б) бездиффузионными (большая скорость).
Результат в зависимости от скорости охлаждениякачественно различный.Основные превращения в сплавах Fe-C.Все превращения, происходящие в сплавах Fe-C, подчинены принципу минимумасвободной энергии.М – мартенсит, А – аустенит, П – перлит.Наличие нескольких уровней свободной энергии для твердой структуры сталейозначает:191) Если процесс равновесный, то есть охлаждение происходит медленно, то системавсегда перейдет в состояние с минимальной свободной энергией.2) Если охлаждение быстрое (процесс неравновесный) то система за счет подавлениядиффузии может остановиться на промежуточном уровне.
Возникающая структура неустойчива, то есть при создании соответствующих условий (повышение температуры,ускорение диффузии) система может вернуться в равновесное состояние.Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в кристаллической решетке αжелеза. Особенности: термодинамически неравновесен; образуется при быстром охлажденииаустенита; бездиффузионный процесс.Основные превращения при термической обработке.1) Превращение перлита в аустенит.
Превращениепроисходит при t1>727° C. Процесс диффузионный:происходит перераспределение углерода внутри кристалла,распад цементита, вход в состоянии перлита, изменениетипа кристаллической решетки, образуется ГЦК, γ-железо.Этапы превращения:I. Инкубационный период. Кристаллы П неизменяются.II. Процесс превращения. Отдельные кристаллы Ппревращаются в А. В структуре присутствуют и П, и А.III. Образование устойчивой аустенитной структуры. С повышением температурыдлительность фазы I уменьшается.2)Превращениеаустенитавперлит.Превращение происходит при t1>727° C.
Процессдиффузионный,иллюстрируетсядиаграммойизотермического распада аустенита.Линия начала распада – геометрическое местоточек начала превращения А в П при температуреt>727° C.Линия конца распада – геометрическое местоточек окончания превращения А в П, образованиеперлитной структуры.МН – температура начала мартенситногопревращения,температурапрекращениядиффузионных процессов перераспределения углерода.МК – температура конца мартенситного превращения.До температуры 500–550° C процесс распада А ускоряется, так кактермодинамическое равновесие нарушеается сильнее, а диффузия еще достаточноинтенсивна.
При температуре <550° C процесс превращения замедляется из-за уменьшенияскорости диффузии.Этапы превращения:I. Инкубационный период. Атомы углерода концентрируются вдоль определенныхплоскостей, образуя плоские зоны с повышенной концентрацией углерода.II. Образование первых кристаллов П.III. Полное превращение аустенита в перлит. При понижении температуры размерыпластинок Ц и Ф уменьшаются , то есть перлитная структура становится мелкодисперсной.3) Превращение аустенита в мартенсит. Процесс бездиффузионный. Превращение20происходит при МН<t<МК.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
