Физико-химические свойства стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Что такое твердый раствор внедрения

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Существуют твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного компонента B размещаются между атомами растворителя A в его кристаллической решетке.

Твердые растворы внедрения могут быть только с ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки.

Твердые растворы внедрения: при растворении в металлах неметаллических элементов, как углерод, бор, азот и кислород. Например: Fe и С.

Какие основные характеристики механических свойств определяются при испытании на растяжение. Опишите их

Прочность - свойство материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия.

Рисунок 1 - Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали: а -- замещения; б -- внедрения

Механические свойства стали (в т. ч. и прочность) обычно определяют по условной диаграмме растяжения. ГОСТ 1497-84 регламентирует следующие прочностные свойства:

-временное сопротивление разрыву (или предел прочности при растяжении) уВ - условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Pd, предшествующей разрушению образца: уb = Pd/F0 кгс/мм2;

-предел текучести уТ (физический) - наименьшее условное напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки: уt=Pc/F0 кгс/мм2; его определяют для низкоуглеродистой отожженной стали;

-предел текучести у0,2 (условный) - напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2% первоначальной расчетной длины; его определяют для большинства марок конструкционной среднеуглеродистой и легированной стали, у которых на диаграмме растяжения отсутствует «площадка текучести». Для определения условного предела текучести от начала координат диаграммы растяжения по оси абсцисс откладывают в соответствующем масштабе отрезок, составляющий 0,2% первоначальной длины; через полученную точку проводят прямую, параллельную начальному линейному участку (ОА) диаграммы (до пересечения с диаграммой). Ордината точки пересечения и соответствует условному пре­делу текучести у0,2. Предел текучести у0,2 можно определить по формуле у0,2 = P0,2/F0 кгс/мм2;

Пластичность - свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Отсутствие или небольшое значение пластичности называется хрупкостью.

Относительное удлинение д представляет собой отношение приращения длины образца после его разрыва к первоначальной расчетной длине l0 и выражается в процентах:

Под относительным сужением понимают отношение уменьшения поперечного сечения разорванного образца к первоначальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах:

Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите процессы кристаллизации и превращений в твердом состоянии для сплава, содержащего 3,4 % С, напишите для этих процессов фазовые реакции с указанием составов реагирующих фаз и температурных интервалов превращений, изобразите схему кривой охлаждения заданного сплава и обоснуйте ее вид с применением правила фаз. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием б (д)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в г-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических -- аустенит+ледебурит, эвтектических -- ледебурит и заэвтектических -- цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении г-железа в б-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выдел пня цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727єС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные - перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727єС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727єС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Рисунок 2: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,4% углерода

Сплав железа с углеродом, содержащий 3,4%С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре цементит (вторичный) + перлит + ледебурит (перлит + цементит).

Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8. Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 250 НВ. Укажите, как этот режим называется, какая структура получается в этом случае

Рисунок 3 - Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8 сталь сплав закалка превращение

Изотермической обработкой, необходимой для получения твердости HB 250, является изотермический отжиг. При изотермическом отжиге сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас1 и после выдержки охлаждают до температуры несколько ниже точки Аr1. При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита, затем охлаждают до комнатной температуры. для получения структуры пластинчатого перлита заданной твердости (HB 250) устанавливается температура изотермической выдержки 640-660°С.

Чем ниже температура распада аустенита, тем дисперснее продукты распада аустенита и тем выше получаемая твердость.

Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества. Прежде всего, он может дать выигрыш во времени, если суммарное время ускоренного охлаждения, изотермической выдержки и последующего ускоренного охлаждения меньше времени медленного непрерывного охлаждения изделия вместе с печью. Другое преимущество изотермического отжига - получение более однородной структуры, т.к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения. Структура стали У8 после изотермического отжига - перлит.

Сталь 40 подвергалась закалке от температур 750 и 830° С, Используя диаграмму состояния железо-цементит, укажите выбранные температуры нагрева и опишите превращения, которые произошли при двух режимах закалки. Какому режиму следует отдать предпочтение и почему?

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А_с3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки А_с3 для стали 40 составляет 790°С.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше А_с1, но ниже А_с3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 760°С (ниже точки А_с3) структура стали 40 - аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали - мартенсит + феррит.

Рисунок 4 - Фрагмент диаграммы железо-углерод

Аустенит неоднороден по химическому составу. В тех местах, где были пластинки цементита, аустенит богаче углеродом, а где пластинки феррита - беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше критической точки А_с3 (на 30-50°С) и выдерживают некоторое время при этой температуре. Процесс аустенизации идет тем быстрее, чем выше превышение фактической температуры нагрева под закалку относительно температуры А_с3. Доэвтектоидные стали для полной закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше А_с3. Температура нагрева стали 40 под полную закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку - аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической - мартенсит.

Если нагреть выше этой температуры мелкие зерна аустенита начинают соединяться между собой и чем выше температура нагрева, тем интенсивнее увеличиваются размеры. Крупнозернистая структура ухудшает механические свойства стали.

Поэтому следует отдать предпочтение закалке от температуры 840 єС.

Пружины из стали 65 после правильно выполненной закалки и последующего отпуска имеют твердость значительно ниже, чем это требуется по техническим условиям. Чем вызнан этот дефект и как можно его исправить? Укажите, какая твердость и структура обеспечивают высокие упругие свойства пружин

Рессорно-пружинные стали общего назначения должны обладать малыми пластичными деформациям и пределом выносливость. При достаточных пластичности и сопротивлении хрупкому разрушению иметь повышенную релаксационную стойкость. Релаксационная стойкость- это способность материала их которого изготовлена пружина, сопротивляться возникновению необратимых деформаций ползучести и падению напряжений в нем. Для получения этих свойств стали должны содержать С? 0,5% и быть подвергнуты закалке и отпуску при 400-500 єС. Присутствие после закалки продуктов эвтектоидного или промежуточного превращения, феррита, перлита, а так же остаточного аустенита ухудшает все пружинные свойства в том числе и твердость. Чем мельче зерно, тем выше сопротивление стали малым пластичным деформациям. Наличие обезуглероженного слоя на готовых пружинах резко снижает пределы упругости и выносливости. Пружины из стали 65 подвергают патентированию и последующей протяжке при степени деформации не менее 70%. Предел проности проволоки после 95% деформации достигает 260 кг/ при d=1.4 мм.

При маркировке легированной стали используют буквенные обозначения легирующих элементов (табл.1). Эти буквы в сочетании с цифрами образуют марку стали.

В марке содержание легирующего элемента, если оно превышает 1...1,5%, указывается цифрой (массовая доля в целых процентах), стоящей после соответствующей буквы. Если за буквой отсутствует цифра, то содержание данного элемента около 1%. Исключение сделано для некоторых элементов (V, Ti, Mo, Nb,Zr, В, N и др.), присутствие которых в сталях даже в тысячных долях процента оказывает существенное влияние на свойства стали (микролегирование).

Таблица 2. Условные обозначения легирующих элементов в металлах и сплавах

Элемент Символ Обозначение элементов в марках металлов и сплавов Элемент Символ Обозначение элементов в марках металлов и сплавов

черные цветные черные цветные

Азот N А - Неодим Nd - Нм

Алюминий А1 Ю А Никель Ni - Н

Барий Ва - Бр Ниобий Nb Б Нп

Бериллии Be Л Олово Sn - О

Бор В р - Осмий Os - Ос

Ванадии V ф Вам Палладий Pd - Пд

висмут Bi Ви Ви Платина Pt - Пл

Вольфрам W В - Празеодим Pr - Пр

Гадолиний Gd - Гн Рений Re - Ре

Галлий Ga Ги Ги Родий Rh - Rg

Гафнии Hf - Гф Ртуть Hg - Р

Германий Ge - Г Рутений Ru - Pv

Гольмий Но - ГОМ Самарий Sm - Сам

Диспрозий Dv - ДИМ Свинец Pb - С

Европий Eu - Ев Селен Se К СТ

Железо Fe - Ж Серебро Ag - Ср

Золото Au - Зл Скандий Sc - С км

Индий In - Ин Сурьма Sb - Cv

Иридий Ir - И Таллий Tl - Тл

Иттербий Yb - ИТН Тантал Та - ТТ

Иттрий Y - ИМ Теллур Те - Т

Кадмий Cd Кд Кд Тербий Tb - Том

Кобальт Co К К Титан Ti Т ТПД

Кремний Si С Кр(К) Т\'лий Tm - ТУМ

Лантан La - Ла Углерод С У -

Литий Li - Лэ Фосфор P п Ф

Лютеций Lu - Люн Хром Cr х Х(Хр)

Магний Mg Ш Мг Церий Ce - Се

Марганец Mn Г Мц(Мр) Цинк Zn - Ц

Медь Cu Д М Цирконий Zr Ц ЦЭВ

Молибден Mo М - Эрбий Er - Эрм

Если в начале марки нет цифры, то количество углерода составляет 1% и выше. Для конструкционных сталей две цифры впереди марки указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Для инструментальных сталей одна цифра в начале марки означает среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Основная масса легированных сталей выплавляется качественными. Отличие в обозначении качественных, высококачественных и особо высококачественных сталей заключается в том, что в конце марки высококачественных сталей приписывается буква А, а особо высококачественных - буква Ш. У сталей, применяемых в виде литья (в отливке) в конце марки приписывается буква Л.

Для высококачественных сталей от этих правил существуют отклонения. Так в марках инструментальных легированных сталей, а также сталей и сплавов с особыми физическими свойствами буква А не указывается, так как все они всегда высококачественные (или особо высококачественные).

Некоторые группы сталей специального назначения содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, быстрорежущих - с буквы Р, электротехнических - с буквы Э, магнитно-твердых - с буквы Е, автоматных - с буквы А. Более подробно о маркировке этих сталей будет сообщено в соответствующих разделах.

Размещено на Allbest.ru