Деформация металлов

Размещено на http:www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Уфимский филиал

ФГ БОУ ВПО «Оренбургский государственный Университет»

Кафедра «Управление качеством в производственно-технологических системах»

Контрольная работа

По дисциплине «Материаловедение»

Выполнила студентка группы УКП 4-1

Мурзабаева.Э.Э.

Шифр 798

Уфа 2014

Содержание

Часть I. Теоретическая

Вопрос №8 Упругая и пластическая деформация металлов

Вопрос№48 Тугоплавкие металлы и сплавы

Часть II. Практическая часть

Заключение

Список использованной литературы

Часть I. Теоретическая

Вопрос №8 Упругая и пластическая деформация металлов

Деформация - это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация - это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость. Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла. Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

Физическая природа деформации металлов

Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений. Упругая - это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла. С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, скольжение в них происходит во многих направлениях. деформация металл тугоплавкий жаростойкость

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой, оно осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька.

Виды разрушения металла

Разрушение материала возможно:

хрупкое-от отрыва, получающегося тогда, когда расстояние между двумя смежными элементами тела, расположенными по направлению силового воздействия, увеличится в результате этого воздействия настолько, что силы сцепления между этими элементами окажутся погашенными; разрушению от отрыва соответствует вторая теория прочности (теория наибольших удлинений);

пластичное - от сдвига, получающегося тогда, когда будет превзойдено сопротивление взаимному сдвигу двух смежных элементов тела; разрушению от сдвига соответствует третья (теория наибольших касательных напряжений) или четвертая (энергетическая) теория прочности.

Один и тот же материал может разрушаться и хрупко и пластично в зависимости от условий, в которых протекает разрушение. Сталь и алюминий при обычной температуре, при правильной форме деталей (стержней) и в простых случаях действия сил (растяжение, сжатие, кручение или изгиб) оказывают меньшее сопротивление сдвигу, чем отрыву, и разрушаются пластично. Однако при пониженных температурах, при предварительной вытяжке или неправильной форме деталей, затрудняющих деформацию сдвига (при явлении концентрации напряжений), при более сложных напряженных состояниях, а также в результате других причин сопротивление сдвигу (пластическим деформациям) может оказаться повышенным и превзойти сопротивление отрыву, вследствие чего материал разрушится хрупко.

Разрушение от сдвига сопровождается большими деформациями, происходит в течение длительного времени и поэтому менее опасно; разрушение от отрыва сопровождается малыми деформациями, происходит внезапно и поэтому более опасно. Четкое разграничение двух возможных видов разрушения материала-хрупкого и пластичного-принадлежит советским ученым Н. Н. Давиденкову, Я. Б. Фридману, Г. В. Ужику и др.

Таким образом, сооружение может стать неработоспособным по следующим двум причинам:

В результате хрупкого разрушения, т. е. нарушения целостности материала. В стальных и алюминиевых конструкциях вследствие пластичности материала такое разрушение - явление достаточно редкое и может быть лишь в специальных случаях, указанных ниже.

В результате потери способности сопротивляться при развитии пластических деформаций, что является основным случаем работы стальных и алюминиевых конструкций. Сталь и алюминий в пластической стадии теряют сопротивление, если пластические деформации занимают настолько большую часть сечения элемента, что оставшаяся упругая часть уже неспособна сопротивляться дальнейшему росту внешних воздействий, деформации элемента растут при постоянной или убывающей нагрузке, и элемент уже не может сопротивляться действующей нагрузке.

Вопрос№48. Тугоплавкие металлы и сплавы

Тугоплавкими называют металлы, температура плавления которых выше, чем у железа.

Наибольшее значение в технике имеют тугоплавкие металлы Nb, Mo, Cr, Ta и W с температурой плавления соответственно 2468, 2625, 1275, 2996 и 3410 ^ОС.

Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, атомных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которых работают при температурах до 1500-2000 ^ОС.

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению из-за высокой температуры порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примеси внедрения С, N, Н и О. после деформации ниже температуры рекристаллизации (1100-1300^ОС) порог хладноломкости молибдена и вольфрама понижается. Ниобий и тантал в отличие от вольфрама и молибдена - металлы с хорошей пластичностью и сворачиваемостью. Молибден и вольфрам в Чистов виде используют в радио- и электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов, нагреватели и т.д.) вследствие малого поперечного сечения захвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочными металлами ниобий применяют для изготовления теплообменников атомных реакторов.

Жаропрочность чистых металлов сравнительно невелика. Более высокой жаропрочностью обладают сплавы на основе тугоплавких металлов. Повышение жаропрочности достигается в результате образования легированного твердого раствора или твердого раствора, который добавочно упрочняется мелкодисперсными выделениями типа карбидов ZrC, (Ti, Zr) C и др., оксидов (ZrO₂) и т.д. Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаропрочностью. Поэтому при температурах 600 - 800 ^ОС их нужно защищать от окисления.

Для молибдена и вольфрама лучшими считаются термодиффузионные силицидные покрытия (MoSi₂, WSi₂).

Поверхностные покрытия чаще применяют для деталей, работающих малый срок службы, или одноразового действия.

Под жаростойкостью (окалиностойкостью) понимают способность металла сопротивляться окислению при высоких температурах. Для повышения окалиностойкости стали легируют элементами, которые существенно изменяют состав и строение окалины. Железо при температурах выше 570 ^ОС образует три окисла: FeO (вюстит), Fe₃O₄ (магнетит), Fe₂O₃ (гематит), которые слабо защищают поверхность металла от воздействия кислорода. При введении в железо хрома, алюминия или кремния, обладающих большим сродством к кислороду, на поверхности образуются плотные окислы Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, затрудняющие процесс дальнейшего окисления.

Чем выше содержание хрома, алюминия или кремния в стали, тем выше окалиностойкость стали и тем выше может быть рабочая температура. Количество хрома, необходимое для обеспечения окалиностойкости при разных температурах, можно определить по рис. 2. следует подчеркнуть, что окалиностойкость не зависит от структуры стали, а зависит только от химического состава.



Рис. 1. Влияние хрома на окалиностойкость: 1 - ферритные стали; 2 - аустенитные стали

Сравнительная оценка жаростойкости чистых металлов по скорости окисления на воздухе в интервале допустимых рабочих температур приведена в табл. 1.

Таблица 1. Жаростойкость чистых металлов

Металл	Жаростойкость	Определяющий фактор
Mg	Очень плохая	Рыхлые оксиды
Nb, Ta, Mo, W, Ti, Zr	Плохая	Плотные оксиды с плохими защитными свойствами
Cu, Fe, Ni, Co	Удовлетворительная	Плотные оксиды с большой дефектностью
Al, Zn, Sn, Pb, Cr, Mn, Be	Хорошая	Плотные оксиды с хорошими защитными свойствами
Ag, Au, Pt	Отличная	Малое химическое сродство к кислороду

Очень плохая жаростойкость магния при температурах выше 450 ^ОС связана с образованием рыхлого оксида MgO, у которого коэффициент объема ц = 0,79. В интервале 500 - 600 ^ОС скорость окисления магния лежит в пределах 10^-1 - 10¹ г / (м² * ч).

Металлы Nb, Ta, Mo, W имеют плотные оксиды, но их защитные свойства ухудшаются при нагреве выше 550 ^ОС. Это объясняется тем, что у них ц > 2,5, поэтому возникают большие напряжения, вызывающие растрескивание оксидов. Кроме того, оксид молибдена при нагреве испаряется. Оксиды титана и циркония, образующиеся при нагреве, теряют кислород вследствие его большой растворимости в металле и не защищают от дальнейшего окисления. Это явление называют деградацией оксида. При высоких температурах и длительных выдержках оксид становится даже рыхлым. Для тугоплавких металлов скорости окисления на воздухе в интервале 700 - 800 ^ОС лежат в пределах 10¹-10³ г / (м² * ч).

Металлы Cu, Fe, Ni, Co (см. табл. 1) в интервале 500-600^ОС окисляются на воздухе со скоростью от 10^-3до 10³ г / (м²*ч), а в интервале 700-800^ОС - от 10¹ до 1 г / (м²*ч). относительно высокие скорости окисления у этих металлов связывают с большой дефектностью образующихся при нагреве оксидов.

В процессе окисления железа и стали на поверхности растут несколько оксидов, у которых химический состав, кристаллическая структура и защитные свойства различны.

Температурная зависимость скорости окисления железа на воздухе отражает изменения состава и структуры образующихся на поверхности оксидов (рис. 3.). До 560^ОС окисление идет медленнее, так как на поверхности образуются оксиды Fe₃O₄ и Fe₂O₃ с хорошими защитными свойствами. При дальнейшем нагреве единственным защитным оксидом становится FeO с худшими защитными свойствами, чем у Fe₃O₄ и Fe₂O₃. именно по этой причине предельно допустимая рабочая температура нагрева на воздухе для чистого железа составляет 560 ^ОС. Благодаря легированию эту температуру удается повысить до 1000-1200 ^ОС.

Рис. 2. Влияние температуры на скорость окисления Дm железа на воздухе

Металлы Al, Zn, Sn, Hb, Cr, Mn, Be (см. таб. 1.) обладают хорошей жаростойкостью. Скорость окисления хрома на воздухе в интервале 400 - 600 ^ОС менее 10^{-6 г / (м2} * ч), а в интервале 700-800^ОС составляет 10^-4- 10^-3 г/(м²*ч).

Жаростойкость промышленных медных сплавов - латуней и бронз - выше жаростойкости чистой меди. Легирующие элементы в медных сплавах (см. табл. 1.) имеют большее химическое сродство к кислороду, чем медь, и при достаточном их количестве образуют при нагреве собственные оксиды, обладающие лучшими защитными свойствами, чем Cu₂O. Сплавы меди с бериллием, алюминием, марганцем отличаются высокой жаростойкостью; несколько уступают им сплавы меди с цинком, оловом и кремнием.

Титановые и циркониевые сплавы поглощают кислород, поэтому защитные оксиды на поверхности не образуются и жаростойкость титана при легировании не улучшается. Повысить жаростойкость удается лишь применением жаростойких покрытий.

Жаростойкость железа и сталей повышают легированием хромом, алюминием и кремнием. Наибольшее распространение при объемном и поверхностном легировании железа и сталей получил хром, содержание которого доходит до 30%. С увеличением количества хрома в стали, а также ростом температуры и выдержки содержание хрома в оксиде возрастает. Легированные оксиды железа заменяются оксидами хрома, что ведет к повышению жаростойкости.

Жаростойкими являются высоколегированные хромистые стали ферритного и мартенситного класса, хромоникелевые и хромомарганцевые стали аустенитного класса. Чем больше хрома содержит сталь, тем выше максимальная температура ее применения и больше срок эксплуатации изделий. Жаростойкость определяется главным образов химическим составом стали (т.е. содержанием хрома) и сравнительно мало зависит от ее структуры.

Дополнительное легирование жаростойких сталей кремнием (до 2-3%) и алюминием (до 1-2% в сталях и до 4-5% в сплавах с высоким электрическим сопротивлением) повышает температуру эксплуатации.

Низкоуглеродистая сталь при большом содержании хрома приобретает однофазную ферритную структуру. В процессе длительной работы при высоких температурах кристаллы феррита растут, что сопровождается понижением ударной вязкости. Для предотвращения охрупчивания сталь дополнительно легируют карбидообразующими элементами (например, Ti). Карбиды затрудняют рост зерна феррита. Химический состав и свойства некоторых жаростойких сталей приведены в табл. 2.

Таблица 2. Химический состав (ГОСТ 5632-72) и химические свойства жаростойких сталей

Марка	Содержание элементов, %
	С	Cr	Ni	Si	ув, МПа	д, %
08Х17Т*	<= 0,08	16 - 18	0,7	0,8	400	20
15Х28*	<= 0,15	27 - 29	0,8	1	450	20
20Х23Н18**	<= 0,2	22 - 25	17 - 20	1	500	35
20Х25Н20С2**	<= 0,2	24 - 27	18 - 21	2 - 3	600	35

Следует отметить, что стали 08Х17Т и 15Х25Т ферритного класса (в структуре преобладает феррит) не жаропрочны, поэтому их используют в изделиях, которые не испытывают больших нагрузок, особенно ударных. Сплавы 20Х23Н18 и 20Х25Н20С2 аустенитного класса не только жаростойки, но жаропрочны. Области применения жаростойких сталей и сплавов указаны в табл. 3.

Таблица 3. Жаростойкие стали и сплавы, применяемые в электропечах

Марка	Рабочая температура, ОС	Назначение
Х13Ю4	900 - 950	Электронагреватели печей
Х23Ю5Т	1350-1400	То же
Х20Н80	1050-1100	»
15Х25Т	800 - 1000	Малонагруженные детали печей
20Х23Н18	800 - 1000	Муфели, направляющие, детали вентиляторов, конвейеров и рольгангов печей
20Х25Н20С2	950 - 1050	Муфели, ролики рольгангов, подовые плиты и другие детали печей, работающие в углеродсодержащей атмосфере

В жаростойких сталях содержание алюминия и кремния ограничено, так как эти элементы охрупчивают сталь и ухудшают технологические свойства при обработке давлением. Этот недостаток можно исключить, если использовать их при поверхностном легировании. Жаростойкие стали Х13Ю4 и Х23Ю5Т, легированные хромом и алюминием, так же как и сплав Х20Н80, используют как материалы с повышенным электрическим сопротивлением.

Низкая жаростойкость тугоплавких металлов - Mo, W, Ta, Nb создает большие затруднения при использовании их в качестве жаропрочных материалов. Применение вакуума и защитных сред при технологической обработке и эксплуатации тугоплавких металлов вызывает в некоторых случаях большие технические трудности. Объемное легирование этих металлов не приводит к повышению жаростойкости, хотя для повышения жаропрочности оно может быть эффективным. Высокой жаростойкости можно добиться, используя жаростойкие тугоплавкие покрытия.

Часть II. Практическая часть

Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов, на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором образуется цементит Fе3С. По диаграмме состояния системы железо - углерод судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. На диаграмме состояния Fe - С приняты международные обозначения. Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо - цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита). Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой (Fe - С), а железоцементитной (Fe - Fе3С), так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию це-ментита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода. Компоненты системы железо и углерод - элементы полиморфные. Основной компонент системы - железо. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может образовать химическое соединение - цементит Fе3С или присутствовать в сплавах в виде графита.

В системе железо-цементит (Fe - Fе3С) имеются следующие фазы: жидкий раствор. твердые растворы - феррит и аустенит, а также химическое соединение - цементит.

Феррит (Ф) твёрдый раствор внедрения углерода в бFe кристаллическая решётка ОЦК, может иметь две модификации - высоко- и низкотемпературную. Высокотемпературная модификация в-Fe и низкотемпературная - бFe представляют собой твердые растворы углерода, соответственно, в в- и б-железе.

Предельное содержание углерода в бFe при 723°С -0,02%, а при 20°С - 0,008%. Низкотемператур-ный феррит бFe по свойствам близок к чистому железу и имеет довольно низкие механические свойства, например, при 0,06% С:

s = 250 МПа;

d =50%;

y= 80%;

твердость - 80...90 НВ.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода в г-железе. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14%. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Мn, Сг и др.) при обычных (даже низких) температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Твердость аустенита 160...200 НВ.

Цементит Fе3С - химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,67% vглерода. Между атомами железа и углерода в цементите действуют металлическая и ковалентная связи. Температура плавления ~1250°С. Цементит является метастабильной фазой; область его гомогенности очень узкая и на диаграмме состояния он изображается вертикалью. Время его устойчивости уменьшается с повышением температуры: при низких температурах он существует бесконечно долго, а при температурах, превышающих 950°С, за несколько часов распадается на железо и графит. Цементит имеет точку Кюри (210°С) и обладает сравнительно высокими твердостью (800 НВ и выше) и хрупкостью. Прочность его i растяжение очень мала (s =40 МПа).

В системе железо - цементит имеются две тонкие механические смеси фаз - эвтектическая (ледебурит) и эвтектоидная (перлит).

Ледебурит является механической смесью аустенита и цементита, образующихся при 1147°С в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом, чугунов. Ледебурит обладает достаточно высо-кими прочностью (НВ>600) и хрупкостью.

Перлит (до 2,0%С) представляет собой смесь a-Fe + Fе3С (в легированных сталях -карбидов), образующуюся при 723°С и содержании углерода 0,83% в процессе распада аустенита, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита (прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого):

s=800...900 МПа;

d< 16%; НВ 180..,220.

Диаграмма состояния Fe - Fе3С является комбинацией диаграмм простых типов. На ней имеются три горизонтали трехфазных равновесий: перитектического (1496°С), эвтектического (1147°С) и эвтектоидного (727°С).

Все линии на диаграмме состояния соответствуют критическим точкам, то есть температурам, при которых происходят фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линия ABCD - линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF - линия конца кристаллизации сплава (солидус).

В области диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD - жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3%С и температуре 1147°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь ледебурит ЖС(4.47%C) AE(2.14%C)+ЦF(6.67%C), Ж4.3 Л4.3(ледобурит)

Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С (чутуны).

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%С).

В области диаграммы AGSF находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита AGSФGP , а по линии SE АESЦII.вторичного цементита. Линии GS и PS имеют большое практическое значение для установления режимов термической обработки сталей. Линию GS называют линией верхних критических точек, а линию PS -нижних критических точек.

Линия PQ при охлаждении отвечает температурам начала выделения из феррита цементита третичного в результате уменьшения растворимости С в феррите с понижением температуры при нагреве обратный процесс ФPQ ЦIII.

В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз - феррита и распадющегося аустенита, а в области диаграммы SEE' - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.

В точке S при содержании 0,8%С и при температуре 727°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита - перлит.

Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и образованию перлита

AS(0.8%C) ФP(0.02%C)+ЦК(6Ю67%С)

А(0.8) П(0.8)перлит

В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.Структурные превращения в сплавах, находящихся в твердом состоянии, вызваны следующими причинами: изменением растворимости углерода в железе в зависимости от температуры сплава (QP и SE), полиморфизмом железа (PSK) и влиянием содержания растворенного углерода на температуру полиморфных превращений (растворение углерода в железе способствует расширению температурной области существования аустенита и сужению области феррита).

Диаграмма стабильного равновесия Fe - Fе3С, обозначенная на графике пунктиром, отображает возможность образования высокоуглеродистой фазы - графита - на всех этапах структурообразования в сплавах с повышенным содержанием углерода. Диаграмма состояния стабильной системы железо - графит отличается от метастабильной системы железо-цементит только в той части, где в фазовых равновесиях участвует высокоуглеродистая фаза (графит или цементит).

На диаграмме состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого разграничения - возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените):

стали - до 2,14% С, не содержат ледебурита;

чугуны - более 2,14% С, содержат ледебурит.

В зависимости от содержания углерода (%) железоуглеродистые сплавы получили следующие названия:

менее 0,83 - доэвтектоидные стали;

0,83 - эвтектоидные стали;

0,83...2 - заэвтектоидные стали;

2...4,3 - доэвтектические чугуны;

4,3...6,67 - заэвтектические чугуны.

Сплавляя железо с углеродом и варьируя содержание компонентов, получают сплавы с различными структурой и свойствами. Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо - цементит и железо - графит. Первая диаграмма (Fе -- Fе₃С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе - С) - графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура - содержание углерода (рис. 1). Диаграмма состояния системы железо - углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран.

Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова. Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части.

Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.

Рис. 3. Общий вид диаграммы состояния системы железо - углерод.

Рис. 4. Диаграмма состояния системы железо - цементит.

Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рис. 4. Значение всех линий указано в табл. .

Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус - по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF. Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны. Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % - к чугунам.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А. В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage - нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement - охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.

Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии СS обозначается как нагрев выше точки А_С3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как А_r3, второе (на линии РSК) - как А_r1.

Таблица 3

Узловые точки диаграммы состояния системы Fе -- Fе₃С

Обозначение точки	t,°С	С,%	Значение точки
А	1539	0	Плавление (кристаллизация) чистого железа
N	1392	0	Полиморфное превращение д г в чистом железе
G	911	0	Полиморфное превращение б г в чистом железе
Н	1499	0,1	д - твердый раствор, предельно насыщенный углеродом. Участвует в перитектическом превращении
J (I)	1499	0,16	Аустенит, возникающий в результате перитектического превращения
В	1499	0,51	Жидкая фаза, участвующая в перитектическом превращении
D	1260	6,67	Предполагаемая температура плавления Fе3С
Е	1147	2,14	Аустенит, предельно насыщенный углеродом
С	1147	4,3	Жидкая фаза, испытывающая эвтектическое превращение
F	1147	6,67
P	727	0,02	Феррит, предельно насыщенный углеродом
S	727	0,8	Аустенит, испытывающий эвтектоидное превращение
K	727	6,67
Q	20	0,006	Феррит, предельно насыщенный углеродом

Значение линий диаграммы состояния системы Fе -- Fе₃С

Таблица 4

Линии	Значение линии
АВ АН ВС J(I)Е СD НJВ ЕCF РSK (А1) HN JN (А4) ЕS (Аcm) GS (А3) GP PQ МО (А2)	Ликвидус для д - твердого раствора Солидус для д - твердого раствора Ликвидус для аустенита Солидус для аустенита Ликвидус для цементита (первичного) Перитектическое превращение: дн+Lв >гJ Эвтектическое превращение: Lс > (г Е + Fе3С) Эвтектоидное превращение: гS > (бP + Fе3С) Начало полиморфного превращения д>г в сплавах при охлаждении Конец полиморфного превращения д>г в сплавах при охлаждении Линия предельной растворимости углерода в г - Fе. Начало выделения цементита (вторичного) из аустенита при охлаждении Начало аллотропического превращения г > б в сплавах при охлаждении. Начало выделения феррита из аустенита при охлаждении Линия предельной растворимости углерода в б - Fе Начало выделения цементита (третичного) из феррита при охлаждении Переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние (768єС, т. Кюри)

Вторичная кристаллизация сталей

Рис. 5. Нижний левый угол диаграммы состояния Fе - С - вторичная кристаллизация сталей.

Сплав (1,3 % С). После завершения первичной кристаллизации сталь охлаждается в аустенитном состоянии. Исходя из положения линии ES, можно установить, что аустенит стали с 1,3 % С вплоть до точки l (на линии ES) оказывается ненасыщенным углеродом. По достижении температуры точки l на (рис 5) аустенит становится предельно насыщенным углеродом, и так как растворимость углерода при охлаждении уменьшается (согласно линии ES), то, начиная с точки l, из аустенита выделяется избыток углерода в виде Fе₃С, называемый вторичным (избыточным) цементитом (Fe₃C)_II. Чуть выше линии PSK сплав будет состоять из двух фаз: аустенита и вторичного цементита. Применяя правило рычага, можно установить, что весовое количество цементита и аустенита:

.

Таким образом, перед превращением сплав состоит из (93,2 % г+ 6,8 % (Fe₃C)_II). Структурные и фазовые составляющие совпадают.

По достижении точки т аустенит содержит 0,8 % С (точка S) и претерпевает уже известное нам эвтектоидное превращение:

₊.

Вторичный цементит, выделившийся в интервале температур от точки l до точки m, в этом превращении не участвует. Сразу после превращения:

.

17,7% - это общее количество цементита в сплаве, он включает в себя и 6,8 % избыточного (Fe₃C)_II, выделившегося в интервале lm, и цементит перлита: 17,7 %-6,8 %=10,9 %. Таким образом, получаем:

6,8 % (Fe₃C)_II + (82,3 % + 10,9 % Fe₃C)_перлит.

При дальнейшем охлаждении вплоть до точки r фазовые и структурные составляющие стали не изменяются (не забывать о поправке, сделанной при разборе сплава 5 в связи с ходом линии PQ). Сплав состоит из двух фаз феррита и цементита, а структурные составляющие стали представлены так:

цементит + перлит, т. е. (Fe₃C)_II + (б+Fе₃С)

Микроструктура такой стали представлена. Здесь, наряду с перлитом, присутствует вторичный (избыточный) цементит (белая сетка вокруг зерен перлита).

При травлении шлифа обычными реактивами цементит не травится и так же, как феррит, остается чисто белым, поэтому, чтобы отличить белую сетку цементита от ферритной, нужен определенный навык исследователя или специальные методы испытаний.

При изучении микроструктур сталей часто возникает вопрос, почему перлит «темный», если феррит и цементит, как только что было рассмотрено - это «светлые» фазы? Повторимся, перлит - это двухфазная структурная составляющая, а фазы, ее образующие, это феррит и цементит, имеющие различную травимость. В этом случае на поверхности шлифа образуется сложный рельеф, приводящий к рассеянию падающего света.

Рис. 6. Микроструктура заэвтектоидной стали.

Таким образом, заэвтектоидные стали при комнатной температуре после медленного охлаждения имеют одни и те же структурные составляющие: вторичный избыточный цементит + перлит, но в разных относительных количествах в зависимости от содержания углерода. Сталь У8, сталь У13.

Содержание углерода, соответственно, 0,8 % и 1,3 %

Инструментальные высококачественные углеродистые сталь. Маркируется аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали.

Заключение

Диаграмма состояния системы железо - углерод является одной из важнейших диаграмм двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы - стали и чугуны - представляют собой сплавы железа с углеродом. В состав сталей и чугунов, кроме углерода, входят кремний, марганец и другие элементы, но углерод является основным компонентом, оказывающим влияние на структуру и свойства железных сплавов.

Следует отметить, что в учебниках по металловедению разных авторов и разных лет издания, которыми пользуются студенты, координаты некоторых основных точек диаграммы несколько отличаются друг от друга по содержанию углерода и по температуре. Это связано с тем, что с течением времени в научной литературе периодически появляются публикации по исследованию отдельных участков диаграммы, уточняющие положение точек и линий диаграммы. Однако эти уточнения обычно невелики, не меняют давно установленного общего начертания диаграммы состояния железо - углерод и не вносят каких-либо принципиальных изменений в понимание фазовых превращений в сплавах и их структуры.

Диаграмма железо - углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит - Fe₃C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму - по частям.

Список использованной литературы

1. А.М. Адаскин, В.М. Зуев - Материаловедение (металлообработка). - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.

2. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина - Материаловедение. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 648 с.

3. Ю.М. Лахтин Основы металловедения. - М.: Металлургия, 1988. - 320 с

4. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей ВУЗов / А.М. Дольский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под ред. А.М. Дольского. - М.: Машиностроение, 2005. - 448с.

5. Зайцев И.В. Технология электроаппаратостроения: Учеб. пособие для ВУЗов. - М.: Высш. Школа, 2002. - 215с.

Размещено на Allbest.ru