М ИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ М ОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В СХЕМАХ-КОНСПЕКТАХ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Под ред. И.Ю. Ульяниной МОСКВА 1999 УДК 620.22 М 34 Материаловедение в схемах-конспектах: Учебное пособие/Под ред. И.Ю. Ульяниной.-М.: МГИУ, 1999. – 103 с. Данное учебное пособие составлено с целью облегчить студентам изучение курса "Материаловедение" при сокращенном количестве аудиторных часов. Курс представлен в виде логических схем, где материал расположен в порядке увеличения сложности вопросов и изучаемых тем. Предполагается, что данное учебное пособие будет являться дополнительным материалом к лекционному курсу по данной дисциплине. Предназначено для студентов инженерных специальностей дневного и вечернего отделений. Авторы: к.т.н., доц. И.Ю. Ульянина к.т.н., доц. И.А. Курбатова к.т.н., доц. О.А. Парфеновская Рецензент: профессор, д.т.н. Н.В.Абраимов Рецензия утверждена на заседании кафедры "Материаловедения и технологии" ВВИА им. Н.Е. Жуковского (протокол № 126 от 04.02.1999 г.). Утверждено на заседании кафедры "Материаловедение" Протокол № 2 (96) от 29.12.98 Редактор С.В. Мухин ЛР № 020407 от 12.02.97 Подписано в печать 12.10.99. Сдано в производство 20.10.99. Бум. множит. Формат бумаги 60 × 90/16 Усл. печ. л. 6,5 Уч.-изд. л. 7,0 Тем. план 1999 г., № 1-18 Тираж 300 Заказ РИЦ МГИУ, 109280, Москва, Автозаводская, 16 ISBN 5-276-00010-7 МГИУ, 1999. И.Ю. Ульянина, И.А. Курбатова, О.А. Парфеновская, 1999. 2 ВВЕДЕНИЕ 4 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ 6 2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА 12 3. ФАЗЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ 16 4. ДИАГРАММЫ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ (ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ) 20 5. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ 26 6. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 31 7. ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА 37 8. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД 40 (МЕТАСТАБИЛЬНАЯ ДИАГРАММА) 40 9. ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД 49 10. СТАБИЛЬНАЯ ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД (ГРАФИТ) 54 11. ЧУГУНЫ 55 12. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД (ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ) 59 1. ПРЕВРАЩЕНИЕ ФЕРРИТО-ЦЕМЕНТИТНОЙ (ПЕРЛИТА) СТРУКТУРЫ В АУСТЕНИТ ПРИ НАГРЕВЕ (АУСТЕНИЗАЦИЯ). 59 2. ПРЕВРАЩЕНИЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА (ДИАГРАММА ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО РАСПАДА ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА) 61 ПЕРЛИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ 63 МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ 64 ПРОМЕЖУТОЧНОЕ (БЕЙНИТНОЕ) ПРЕВРАЩЕНИЕ 66 ПРЕВРАЩЕНИЕ ПРИ ОТПУСКЕ 69 13. ПРЕВРАЩЕНИЕ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ОХЛАЖДЕНИИ 71 14. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 75 СОБСТВЕННО ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ТО) ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ТМО) ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ХТО) 15. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 76 88 93 103 3 ВВЕДЕНИЕ Для инженеров-машиностроителей большое значение имеет технологическая подготовка, т.е. умение решать инженерные задачи в комплексе, включая вопросы выбора материала и технологии их обработки для конкретных изделий. Курс "Материаловедение" наряду с курсом "ТПМП" (Технологические процессы машиностроительного производства) является базовым для технологической подготовки студента. Данное учебное пособие составлено в виде логических схем (конспектов), которые не только ориентируют студента в структуре изучаемого материала, но и дают наглядное представление о его содержании. Контрольные вопросы и задачи, приведенные в конце каждой темы, позволяют студенту проводить самостоятельный контроль усвоения материала. 4 ПРЕДМЕТ ИЗУЧЕНИЯ Материаловедение – наука о металлах, сплавах и неметаллических материалах Материаловедение изучает - строение (структура) и свойства материалов, связь между составом, строением, свойствами. состав строение свойства - закономерности изменения структуры материалов под воздействием внешних факторов; - тепловое (термообработка); - механическое (деформация); - электромеханическое; - химическое; - радиационное; - химико-термическое; - термомеханическое. Методы исследования материалов Металлографические методы – применяются для изучения особенностей структуры металлов и сплавов: микроанализ – изучение объектов структуры под микроскопом при увеличении до 1000 раз; макроанализ – изучение структуры невооруженным глазом. Фрактография – изучение изломов. Методы структурного анализа применяются для исследования атомнокристаллического строения и его дефектов: рентгеноструктурный анализ; - электронно-графический анализ. Определение механических свойств: - испытания на растяжение; - определение ударной вязкости; - испытания на выносливость; - испытания на ползучесть и длительную прочность. Специальные виды испытаний: - физические методы исследования; - испытания на коррозионную стойкость; 5 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из -1 -5 большого числа мелких (10 – 10 см) кристаллов, разориентированных по отношению друг к другу. Металлы и металлические сплавы Кристаллы с металлическим типом связи, наличие электронного газа. Кристаллы (кристаллическая решетка) Наличие дальнего порядка в расположении атомов. Свойства Термоэлектронная эмиссия Высокая тепло- и электропроводность Атомы располагаются на расстоянии, когда энергия отталкивания и притяжения равны. Строение кристаллической решетки описывается элементарной ячейкой. Элементарная ячейка – это наименьший объем кристалла, дающий представление о строении всего кристалла. Характеристики ячейки – ребра a, b, c и углы между ними α, β, γ; отрезки a, b, c называются периодами решетки. Элементарная ячейка Металлический блеск, отражательная способность Повышенная способность пластического деформирования Положительный температурный коэффициент электросопротивления 6 ИДЕАЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ однородность, закономерность и симметричность в расположении атомов определяет тип кристаллической решетки. Характеристики решетки: координационное число к (число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома), период, плотность упаковки, коэффициент компактности η, число атомов на ячейку n). Наиболее часто встречающиеся типы решеток Кубическая решетка a=b=c 0 α = β = γ = 90 C объемно-центрированная (ОЦК) Pb, Na, Tiβ, Feα, W, V и др. n = 2, η = 68 %, k = 8 гранецентрированная (ГЦК) Feγ, Cu, Ni, Co, Ag и др. n = 4, η = 74 %, k = 12 Тетрагональная решетка a = b ≠ c α = β = γ = 900 C n, η, k – зависит от отношения с/a – степени тетрагональности. Гексагональная решетка (ГПУ) (плотноупакованная) a=b≠c 0 0 α = β = 90 C, γ =120 с/а = 1,633 n = 6, η= 74 %, к = 12 Mg, Zn, Cd, Be, Tiα, Znα, Zn, Coβ и др. Кристаллографические плоскости – индексы (h, k, l) – целые рациональные числа, являющиеся величинами, обратными отрезку осей, отсекаемых данной плоскостью по осям координат x, y, z. 7 РЕАЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ в решетке имеются нарушения строения – структурные несовершенства (дефекты) Точечные дефекты – малы во всех направлениях. 1. вакансии Линейные дефекты – дислокации – малые размеры в двух измерениях и большая протяженность в третьем. 1. Краевая (линейная) дислокация (экстра плоскость) Поверхностные дефекты – малы в одном измерении. 1. Границы зерен – больше угловые границы 2. межузельные атомы (дефект Френкеля) 2. Границы субзерен – мало угловые границы 3. примесные атомы замещения 2. Винтовая дислокация – линия, вокруг которой атомные плоскости изогнуты по спирали. субструктура Оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов 8 Наличие дефектов предопределяет возможность диффузии – перемещения атомов на расстояния, большие межатомных. Процесс диффузии, в первую очередь, зависит от температуры. Чем выше температура, тем интенсивнее процесс диффузии. ДИФФУЗИЯ Самодиффузия – перемещение атомов, не связанное с изменением концентрации в отдельных объемах. Гетеродиффузия сопровождается изменением концентрации в отдельных объемах, происходит в сплавах с повышенным содержанием примесей . Механизмы диффузии вакансионный обменный циклический межузельный диффузия С, N, H Характеристики диффузии Коэффициент диффузии D – количество вещества, диффундирующего через единицу площади 2 1 см за единицу времени 1 с. − Q / RT см2 /с D = − A⋅ e (градиент концентрации равен 1) Скорость диффузии m = - D(dc/dx) - количество вещества, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени. Поток стационарный. I закон Фика. Для нестационарного потока 2 2 dc/dτ = D(d c/dx ) dc – концентрация; dx – расстояние в выбранном направлении; dτ - время; II закон Фика. Наиболее легко процесс диффузии протекает по границам зерен, где сосредоточены дефекты кристаллического строения (вакансии, дислокации). 9 ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ 1. Что определяет металлическое состояние металлов и сплавов? Какие свойства характеризуют металлы? 2. Что такое кристаллическая решетка? Основные типы кристаллических решеток. 3. Что такое координационное число? 4. Параметры кристаллической решетки. 5. Кристаллографические плоскости и их индексификация. 6. Классификация дефектов кристаллического строения. 7. Что такое точечные, линейные, поверхностные дефекты? 8. Что такое диффузия? Самодиффузия, гетеродиффузия. 9. Механизмы диффузии. 10. Характеристики диффузии. ЗАДАЧИ Задача № 1 Рассчитайте число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку в решетке ОЦК (рис. 1). а) б) Рис. 1 Решение: Пронумеруем атомы в ячейке. Каждый атом в вершине куба (1-8) принадлежит восьми соседним ячейкам, следовательно данной ячейке приходит 1/8 атома. Таких атомов 8: 1/8⋅8 = 1 атом и один атом в центре решетки (9) 1+1 = 2. Ответ: 2 атома. Задача № 2 Рассчитайте число атомов в решетке (рис. 2,а,б) 1) ГЦК (а); 2) ГПУ (б); 3) тетрагональная кубическая решетка (в) а) б) Рис.2 10 в) Задача № 3 Определить какие дефекты кристаллического строения (1-8) имеются в решетке кристаллов, приведенных на рис. 3. Рис. 3 Задача № 4 Рассчитайте и сравните коэффициенты диффузии для Feα 0 911 С, если для Feα для Feγ 2 А = 5,8 см /с А = 0,6 см2 /с Q = 59700 кал/г⋅ат Q = 68000 кал/г⋅ат и Feγ при Задача № 5 Определить, насколько увеличится скорость диффузии в Feγ, если увели0 0 чить температуру с 911 С до 1100 С. 11 2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется процессом кристаллизации. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ Энергетическое условие – система приходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса (свободной энергией). Уменьшение энергии Гиббса возможно только при переохлаждении 0 ниже Т о – температуры фазового равновесия, = G когда Gтв ж . Степень переохлаждения ∆Т. ∆Т = Т 0 – Т 1 , Т 1 – температура, при которой идет процесс кристаллизации. ∆G – изменение энергии. Образование зародыша новой фазы. Зародыш образуется в объемах жидкой фазы с ближним порядком в расположении атомов. Образование зародыша приводит к снижению энергии Гиббса (α размер зародыша). Только зародыши размером акр и больше способны к росту, т.к. снижают энергию Гиббса. акр – критический минимальный размер зародыша, способного к росту. акр (критический зародыш) зависит от ∆Т: ∆Т 2 >∆Т 1 (T 1 <T 2), акр2 < акр1 . Рост зародыша новой фазы. Рост кристалла происходит путем перехода атомов из жидкости к зародышу новой фазы. Кристалл растет послойно. Сначала образуется двухмерный зародыш) одноатомной толщины размером r≥rкр (1), который растет за счет поступления атомов из жидкости (2). Рост двухмерного зародыша. ∆Gобщ = -∆Gv ⋅n + σ⋅S⋅n→∆Gобщ = -∆Gобъем + ∆Gпов. ∆Gv – изменение энергии Гиббса на единицу объема; σ - межфазная энергия единицы поверхности; S – поверхность раздела ж-тв кристалл; n – число зародышей; ∆Gкр = 1/3σS – энергия образования критического зародыша; rкр - 4σ/∆Gv – размер критического зародыша. 12 МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ Характеристики процесса кристаллизации ч.з. (n) – число центров кристаллизации; с.р. (с) – линейная скорость роста. С увеличением ∆Т растет разность энергии Гиббса ∆Fv , что способствует образованию новых зародышей и их росту. 0 Однако снижение Т приводит к замедлению диффузии, что замедляет процесс. Величина образовавшихся кристаллов зависит от ∆Т – чем выше ∆Т, тем больше зародышей, способных к росту, тем меньше кристаллы. Кристаллы имеют форму дендритов – разветвленных кристаллов. Самопроизвольное образование зародышей в однородной (гомогенной) системе – гомогенное образование зародышей. В неоднородной системе (много примесей) зародыши образуются на примесях – гетерогенное образование зародышей. Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. не модифиц. модифициров. Схема структуры литого металла. 13 Строение слитка после процесса кристаллизации зависит от степени переохлаждения, направления отвода тепла, наличия готовых центров кристаллизации. СТРОЕНИЕ СЛИТКА Небольшая степень переохлаждения (∆Т) (нормальное охлаждение) 1 – зона мелких равноосных кристаллов; 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – зона равноосных кристаллов; 4 – усадочная раковина. Сильный перегрев и быстрое охлаждение (большая ∆Т) Очень медленное охлаждение (малая ∆Т) 2 – зона столбчатых кристаллов; 4 – усадочная раковина. Явление транскристаллизации. 3 – зона равноосных кристаллов; 4 – усадочная раковина. Жидкий металл имеет больший объем, чем твердый, поэтому в верхней части слитка, которая застывает последней, образуется пустота – усадочная раковина. 14 ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ 1. Что называется кристаллизацией? 2. Условия прохождения процесса кристаллизации. 3. Что такое критический зародыш, от чего зависит его размер? 4. Почему величина кристаллов зависит от степени переохлаждения? 5. Характеристики процесса кристаллизации. 6. Гомогенное и гетерогенное образование зародыша. 7. Что такое модификаторы и для чего они применяются? 8. Что такое дендрит? 9. Как влияют условия кристаллизации на строение слитка? ЗАДАЧИ Задача № 1 0 Теоретическая температура плавления свинца 327 С. К началу кристалли0 зации жидкий металл переохладили до 200 С. Чему равна степень переохлаждения ∆Т? Задача № 2 Используя зависимость изменения свободной энергии Гиббса от температуры, определить, какая фаза будет находиться в металле при температуре Т 1 , Т 2 , Т 3 ? (рис. 4). Рис. 4 Задача № 3 0 Температура кристаллизации меди 1090 С. Один слиток меди затвердевал 0 0 с переохлаждением 100 С, другой – 500 С. Зарисовать образовавшуюся структуру слитка и объяснить результат. 15 3. ФАЗЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ Сплавы получаются путем сплавления, спекания или одновременного осаждения из газовой фазы отдельных компонентов. Компоненты могут вступать во взаимодействие друг с другом, образуя фазы системы. СПЛАВЫ отсутствие взаимодействия компонентов, фазы такой системы чистые компоненты, например Fe-Pb. взаимодействие компонентов – фаза – новая однородная часть системы, имеющая свой тип кристаллической решетки, состав, свойства и отдельная от других частей системы поверхностью раздела. ФАЗЫ жидкие растворы тенденция к правильному расположению атомов на определенном расстоянии, характерном для 0 данной Т – ближний порядок. твердые растворы промежуточные фазы (химические соединения) один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других располагаются в решетке первого, изменяя ее размеры. атомы компонентов В и С в решетке компонента А (растворитель) 16 Тип кристаллической решетки, отличный от решетки компонентов, в соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонен0 тов АmBn , Т плавления постоянна, свойства химического соединения резко отличаются от свойств компонентов. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ обозначение – α, γ, δ, ε и т.д. микроструктура не отличается от микроструктуры чистого компонента. ЗАМЕЩЕНИЯ – атомы растворенного компонента заменяют атомы в узлах решетки растворителя. А – атом растворителя; В – атом растворенного компонента. Твердые растворы замещения – ограниченные и неограниченные. Неограниченные твердые растворы образуются при условии: 1) одинаковый (изоморфный) тип решетки компонентов; 2) различие атомных радиусов ≤ 8 – 15 %; 3) близкое расположение в периодической системе. Неограниченно растворяются Сu-Ni, Ag-Au, V-Ti и т.д. ВНЕДРЕНИЯ – атомы растворенного компонента располагаются в межузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. Твердые растворы внедрения всегда ограниченные. Образуются при условии: R растворенн ого( В ) R растворителя( А) < 0,59; Чаще всего твердые растворы этого типа образуют переходные металлы Fe, Mn, Co, Ti, Mo, W, V, Zr и др. с металлоидами – С, N, O, H. В некоторых сплавах возможно упорядочение твердого раствора – атомы компонентов занимают определенное положение в решетке. 17 Промежуточные фазы (химические соединения) – состав может быть выражен формулой АmBn , где m и n – простые числа. Промежуточные фазы, образованные между металлами, носят название интерметаллиды. образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном, кристаллическом строении, а также большее отличие в размерах атомов. НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ПРОМ ЕЖУТОЧНЫХ ФАЗ фазы внедрения – образуют переходные металлы и неметаллы с малым атомным радиусом – С, N, B, H – карбиды, нитриды, бориды. Формула: М4 Х (Fe4 N, Mn4 N), M2 X (W2 C, Fe2 N и др.). Простая кубическая или гексагональная решетка (отличная от решетки компонентов). На базе решеток фаз внедрения образуются твердые растворы вычитания. фазы Лавеса - имеют формулу АВ2 и образуются между компонентами А и В при соотношении атомных диаметров Da/Dв ~ 1,1 – 1,6. Решетка ГПУ. MnZn2 , MgNi2 или ГЦК – TiBe2 , TiCr2 , FeW2 , FeMo2 и т.д. электронные соединения – имеют определенное соотношение числа валентных электронов к числу атомов в кристаллической ячейке (определенную электронную концентрацию). Образуются между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) или переходными металлами (Fe, Mn, Co и др.) и простыми металлами с валентностью 2-5 (Be, Mg, Zn, Al и др.) электронная концентрация 3/2 (1,48) – решетка ОЦК, сложная кубическая, гексагональная, обозначение β. CuBe, CuZn, Cu3 Al и др. электронная концентрация 21/13 (1,62) – сложная решетка, обозначение γ. Cu5 Zn8 , Fe5 Zn21 , Cu5 Sn8 и др. 18 электронная концентрация 7/4 (1,75) ГПУ решетка, обозначение ε. CuZn3 , Cu3 Si, Cu3 Sn и др. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ 1. Что называется фазой? Какие фазы могут образоваться в металлических системах? 2. Что такое твердый раствор, какие типы твердых растворов вы знаете? 3. Что представляет из себя микроструктура твердого раствора? 4. Условия образования неограниченных твердых растворов. Возможна ли неограниченная растворимость углерода и азота в железе? 5. Приведите примеры химических соединений металла с металлом. Как они называются? 6. Приведите примеры химических соединений металла и неметалла, их названия. 7. Что такое электронное соединение? 8. Какие компоненты образуют фазы внедрения? Задача № 1 Неограниченно растворяются друг в друге Cu и Ni. Объясните, приведите причины, которые определяют подобное взаимодействие компонентов. Задача № 2 Почему никель неограниченно растворяется в железе модификации γ и ограниченно в железе модификации α? Задача № 3 Какие соединения могут образовать между собой медь и цинк, медь и алюминий, железо и азот, железо и водород? 19 4. ДИАГРАММЫ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ (ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ) Диаграммы фазового равновесия (диаграммы состояния) - это графическое изображение фазового состава сплава в условиях равновесия в зависимости от температуры и химического состава сплава. ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ Закономерности существования фаз в состоянии равновесия определяет правило фаз Гиббса С = К – Ф + 1 (Р = const). С – число степеней свободы 0 (число внешних (Т ) и внутренних (состав) факторов, которые можно изменять, не меняя фазового равновесия); К – число компонентов; Ф – число фаз; при К = 2, Ф = 3→С = 0 – нонвариантное равновесие; Ф = 2→С = 1 моновариантное Ф = 1→С = 2 равновесие Условие равновесия – минимум свободной энергии Гиббса Сα, Сβ - составы равновесных фаз Диаграммы состояния строят экспериментально по кривым охлаждения сплавов. На кривых охлаждения определяют критические точки – температуры перегиба или площадки на кривой, связанные с тепловым эффектом фазового превращения. По ним определяют температуру превращения. 20 ТИПЫ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ Компоненты неограниченно растворяются как в жидком, так и в твердом состоянии. 0 А1 1В1 – линия Т начала кристаллизации сплавов – ликвидус. 0 А2 2В2 – линия Т конца кристаллизации сплавов – солидус. В структуре любого сплава этой системы - γ твердый раствор компонентов А и В друг в друге. Компоненты ограниченно растворимы друг в друге в твердом состоянии и кристаллизуются с образованием эвтектики. α - ограниченный твердый раствор В в А. Предельная растворимость изменяется по линии СF. β - ограниченный твердый раствор А в В. Предельная растворимость изменяется по линии DG. При температуре tе и / концентрации е образуется эвтектика – смесь кристаллов двух фаз, одновременно крииз сталлизующихся жидкости по эвтектической реакции. t e Le → αc + β Д . Схема микроструктуры γ твердого раствора Схема структуры эвтектического сплава 21 Компоненты образуют друг с другом химическое соединение А m B n . АmBn – устойчивое химическое соединение, образующееся при химическом составе сплава, который отвечает точке / Д. α - ограниченный твердый раствор В(А). β - ограниченный твердый раствор А(В). γ - ограниченный твердый раствор на базе решетки химического соединения АmBn . ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ В данной системе структура формируется в результате перитектической реакции выделившиеся из жидкости кристаллы α раствора взаимодействуют с жидкой фазой, образуя новую β фазу. Компоненты имеют полиморфное превращение – изменение типа кристаллической решетки при определенной температуре. Полиморфное превращение вызывает фазовые превращения в твердом состоянии. а) б) 0 При температуре 1185 С происходит перитектическая реакция 0 C Lc + α a 1185 → β b. α - твердый раствор на базе решетки Pt; β - твердый раствор на базе решетки Ag. в) а) полиморфное превращение Аα ↔Аβ; Вα ↔ Вβ; б) эвтектоидное – распад β твердого раствора Te 0 β c →α d + α / e . в) перитектоидное T p γ p + β c → αk 22 ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ Свойства сплавов зависят от их состава с максимум или минимум при составе сплава 50 % А и 50 % В. Свойства меняются в зависимости от состава по кривой линии в области твердых растворов и по линейному закону в двухфазной области. Свойства сплавов характеризуются наличием максимума при составе сплава, образующего химическое соединение. Химический состав фаз любого сплава системы можно определить с помощью каноды, а их количество – по правилу рычага. Правило рычага с – точка сплава; acd – канода; / b - состав жидкой фазы, L; / a - состав твердой фазы, α; QL – ac/ad⋅100% - количество жидкости, %; Qα = cd/ab⋅100 % - количество α фазы, %. 23 ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ 1. Что представляют из себя диаграммы состояния, почему их называют равновесными? 2. Что такое компонент сплава? 3. Что такое кривая охлаждения; критическая точка, что она показывает? 4. Что такое эвтектика, при каких условиях она образуется? 5. Что такое перитектическое превращение? 6. Какие линии диаграммы носят название ликвидус и солидус, линии предельной растворимости? 7. Как повлияет на твердость сплава появление в его структуре химического соединения? 8. Что такое эвтектоид, каковы условия его образования? 9. Что такое полиморфное превращение, как оно представлено на диаграммах состояния? 10. Как зависит изменение свойств сплавов от типа диаграмм состояния? ЗАДАЧИ Задача № 1 На рис. 5 представлена диаграмма состояния двух компонентов, кристаллизующихся с образованием эвтектики. Расставить фазы и определить структу0 0 ру сплавов при Т ком. Зарисовать структуру сплавов при Т ком. (сплавы 20 % В, 50 % В, 80 % В). Рис.5 Задача № 2 Для сплава 1 (рис. 5) подсчитать количество фаз и структурных составляющих при температуре tе. 24 Задача № 3 Определите фазы в сплавах, строение которых показано на рис. 6. Рис. 6 Задача № 4 Как изменится химический состав фаз в процессе кристаллизации сплава 1 (рис. 7)? Рис. 7 Задача № 5 Постройте кривую охлаждения сплава 1 (рис. 7) и проверьте ее по правилу фаз Гиббса. Объясните полученные значения числа степеней свободы на разных этапах охлаждения. 25 5. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил либо внешних, либо возникающими при различных физико-механических процессах, проходящих в самом теле. Отношение силы, действующей на тело, к некоторой площадке F называется напряжением. Единица 6 2 механического напряжения – 1 мегапаскаль – 1 МПа = 10 Па (1 кгс/мм ≈ 10 МПа). ВИДЫ НАПРЯЖЕНИЙ Нормальные и касательные σ - нормальные напряжения: растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные); τ - касательные напряжения. Временные напряжения – обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия. Остаточные внутренние напряжения – возникают и уравновешиваются внутри тела без внешней нагрузки. Тепловые (термические) напряжения – возникают при быстром нагреве или охлаждении тела из-за неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Структурные (фазовые) напряжения – возникающие при кристаллизации, деформации или неоднородном протекании фазовых превращений по объему тела. Наличие в образце (изделии) концентраторов напряжений – надрезов, трещин, отверстий, металлургических и технологических дефектов приводит к резкому увеличению напряжений в месте дефекта. Эпюры растягивающих напряжений при различных концентраторах напряжений: σ н – среднее напряжение; σ к – максимальное напряжение. 26 напряжения вызывают деформацию металла ДЕФОРМАЦИЯ Упругая – влияние ее на свойства, форму, структуру, размер тела устраняется после снятия нагрузки. Пластическая – не устраняется после снятия нагрузки, меняя форму, размер, структуру, свойства тела. Пластическая деформация как в моно- , так и в поликристаллах осуществляется за счет скольжения и двойникования. Скольжение – сдвиг одной части кристалла относительно другой по плоскостям и направлениям с наиболее плотным расположением атомов. а) б) а – до деформации; б – после деформации. Осуществляется за счет движения дислокаций, смещается небольшая группа атомов на расстояние меньше межатомного. Пробег многих дислокаций приводит к макросдвигу. Двойникование – деформация в решетке ОЦК, ГЦК, ГПУ. Происходит переориентация части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части (зеркальное отражение). Схема двойникования (стрелками показано направление сил) АВСД – полоса двойникования. Наблюдается при больших степенях деформации, может появиться при вибрации, при ударе во время падения. В поликристалле процессы скольжения и двойникования идут в каждом зерне. Переход дислокаций из одного зерна в другое невозможен. Передача деформации от зерна к зерну происходит эстафетным путем. 27 Пластическая деформация вызывает изменение структуры и свойств поликристаллического металла Число дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий и др.) 12 возрастает. Плотность дефектов ≈ 10 (1/см-2). При больших степенях деформации (≈ 80 %) – явление наклепа – увеличение прочности и резкое снижение способности к пластическому деформированию (снижение пластичности). (степень деформации ε: ε= При пластическом деформировании кристаллы меняют свою форму – зерна вытягиваются в направлении приложения силы, образуя волокнистую структуру. Fн − Fк ⋅ 100% , где Fн – Fк – Fн площадь сечения до и после деформации). а) б) Структура металла а – до деформации; б – после деформации. Повышение плотности дислокаций и др. дефектов затрудняют движение отдельных новых дислокаций и увеличивает сопротивление деформации, уменьшая пластичность и повышая прочность. Напряжение сдвига растет пропорционально плотности дислокаций. 28 РАЗРУШЕНИЕ Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящих к разделению его на части. Зарождение трещин. Происходит путем образования микротрещин в местах скопления движущихся дислокаций перед препятствием (границы зерен, микропоры, неметаллические включения и т.д.). Вязкое разрушение – трещина стабильна (l<lкр ), величина пластической деформации в устье трещины велика, сама трещина имеет тупую вершину. Скорость распространения трещины мала. Разрушение постепенное. Излом – матовый, волокнистый, транскристаллитный. Распространение (развитие) трещин. Происходит по-разному при вязком и хрупком разрушении металла. С точки зрения микроструктуры – транскристаллитное и интеркристаллитное разрушение. Транскристаллитное – по телу зерна, интеркристаллитное – по границам. Хрупкое разрушение – трещина нестабильна, если ее длина l>lкр , растет самопроизвольно, вершина сохраняет остроту, соизмеримую (по размеру) с атомными размерами. Величина пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения трещины ~ 2500 м/с, разрушение внезапное, межзеренное, интеркристаллитное. Излом – светлый, кристаллический, имеет блестящие плоские участки. Одни и те же сплавы в зависимости от условий обработки могут иметь вязкое и хрупкое разрушение. Металлы с ОЦК и ГПУ решеткой с 0 понижением Т имеют переход от вязкого к хрупкому разрушению – явление хладноломкости. Температура перехода (Т 50 ) – температурный порог хладноломкости. 29 ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ 1. Что такое упругая и пластическая деформация? 2. Как протекает пластическая деформация в монокристалле? В поликристалле? 3. Как влияет степень деформации на структуру и свойства металла? 4. Что такое наклеп и как объяснить упрочнение металла в процессе деформации? 5. При каких технологических процессах производят пластическое деформирование металла? 6. Что такое концентраторы напряжений и почему они опасны? 7. Механизм образования и роста трещины при разрушении. 8. Каковы особенности вязкого и хрупкого разрушения металла? 9. Каковы особенности вязкого и хрупкого изломов металла? 10. Что такое хладноломкость, у каких материалов можно наблюдать это явление? Задача № 1 При получении стального листа толщиной 1,5 мм холодной прокаткой значительно повысилась твердость. Объясните причину этого явления. Задача № 2 Полосы свинца были прокатаны при 200 С с ε = 20, 30, 40, 60 %. Будут ли отличаться свойства этих полос? Ответ обосновать. Задача № 3 Детали, изготовленные из прутков меди ∅ 25 мм, должны иметь НВ 300 Мпа. На заводе имеются лишь прутки ∅ 40 мм и НВ 220 Мпа. Укажите, как можно использовать имеющиеся прутки для изготовления деталей с заданными свойствами. Задача № 4 Детали из низкоуглеродистой стали после холодной штамповки в разных сечениях имели разную твердость (от 1000 до 16000 Мпа). До штамповки сталь имела твердость 900 Мпа. Объясните неодинаковость свойств по сечению детали. Задача № 5 Образец высотой 20 мм был осажен до 15 мм. Рассчитать степень деформации ε. 30 6. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ Механические свойства характеризуют поведение материала под действием приложенных механических сил (нагрузок). Механические свойства определяются при механических испытаниях по специально разработанным методам. Механические испытания Статические испытания – на растяжения, сжатие, твердость, изгиб, кручение при статическом нагружении. Статические нагрузки приложены постоянно или плавно возрастают. Основные статические испытания – на растяжение (ГОСТ 1497-84) на разрывных машинах с построением диаграммы (кривой) растяжения. Эти испытания определяют свойства прочности - σ пц, σ 0,2, σ в и пластичности δ, ψ материала. Динамические испытания – на ударный изгиб при динамическом нагружении. Динамическая нагрузка – ударная, возрастает резко с большой скоростью. Динамические нагрузки чаще всего являются причиной хрупкого разрушения материала. Испытания проводят на приборе – маятниковом копре (ГОСТ 9454-78) на специальных образцах с надрезом. Надрез является концентратором напряжений. Определяется ударная вязкость КС. Усталостные испытания при знакопеременном (циклическом) напряжении. Знакопеременные нагрузки – многократные прикладываемые, изменяющиеся по величине и направлению. При этом развивается явление, которое носит название усталости металла – постепенное накопление повреждений (трещин), приводящих к разрушению. Испытания проводят методом изгиба при вращении (ГОСТ 25.502-79). 31 Другие виды испытаний: - испытания на жаропрочность; - технологические испытания на изгиб, осадку, перегиб, выдавливание (для определения способности металла к пластическому деформированию. СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ Испытания на растяжение – определение характеристик прочности и пластичности. Диаграмма (кривая) растяжения (кривая 1 – условные, 2 – истинные напряжения) ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ определяются по кривой растяжения. σ пц = Рпц/Fo – предел пропорциональности, максимальные напряжения, при которых выполняется закон Гука. σ 0,2 = Р0,2 /Fo – условный предел текучести, характеризует сопротивление малым пластическим деформациям. σ в = Рв/Fo – временное сопротивление, соответствующее максимальной нагрузке. Точка В – начало образования шейки на образце при растяжении. Разрушение наступит в точке С, при резком уменьшении поперечного сечения образца. Sk = Pk /Fk – истинное сопротивление разрыву (напряжения при разрушении). ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТИЧНОСТИ определяются по размерам образца до и после испытаний. относительное удлинение: δ = (lк - lн)/lн⋅100%; относительное сужение: ψ = (Fo – Fk )/Fo ⋅100%, где lн и lк – длина образца до и после испытаний; Fo и Fk – площадь поперечного сечения образца до и после испытаний. 32 испытания на твердость Твердость – способность материала сопротивляться местной пластической деформации при внедрении в него другого, более твердого материала (индентора). М ЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ Твердость по Бринеллю НВ (ГОСТ 9012-59) – стальной шарик диаметром D вдавливается в испытываемый материал с усилием Р. После снятия нагрузки на поверхности материала остается лунка диаметром d. НВ = 2P πD ( D − D 2 − d 2 МПа. Испытывают материалы невысокой твердости (НВ≤ 450), размер отпечатка замеряют лупой. Твердость по Роквеллу HR (ГОСТ 901359). Индентором служит алмазный ко0 нус с углом при вершине 120 или шарик из закаленной стали диаметром 1,5875 мм. Сначала дается предварительная нагрузка для закрепления индентора Р0 = 10 кгс, затем прикладывают основную нагрузку Р1 (при алмазном конусе Р1 = 140 кгс, а при шарике – 90 кгс). Общая нагрузка Р = Р0 + Р1 . После снятия основной нагрузки Р1 , индикатор прибора показывает единицы твердости. При использовании алмазного конуса твердость НRC (черная шкала), а шарика HRB (красная шкала) в условных единицах. Твердость по Виккерсу (HV) (ГОСТ 2999-75) для замера твердости очень твердых материалов. Индентор – четырехгранная пира0 мида с углом между гранями 136 С. 2 HV = 1,854 Р/d , где Р – нагрузка; d – среднее арифметическое диагоналей отпечатка. 33 ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ Испытания на ударную вязкость. Ударная вязкость – работа, затраченная на ударное разрушение образца Испытания проводят на маятниковом копре, вес маятника G. Образцы для испытаний – стержни 55х10х10 мм с надрезом, который специально нанесен для определения склонности материала к концентраторам напряжений (три типа U, V, T). 1- маятник; 2 – образец; 3 – шкала; h1 – высота подъема маятника; h2 – высота подъема маятника после удара. Энергия, затрачиваемая на деформацию и разрушение образца – работа удара К. К = G(h1 – h2 ) или К = G⋅l(cos α-cos β), где α и β - углы подъема маятника. Образец при испытании При испытании указывается тип образца КU, KV, KT. Ударная вязкость КС = К/Fо , где К – работа удара; Fо – площадь образца. В зависимости от типа образца определяют КСU, KCV, KCT. 34 ИСПЫТАНИЯ НА УСТАЛОСТЬ Разрушение материала в условиях циклически повторяющихся напряжений (знакопеременные или изменяющиеся по величине нагрузки) называется усталостью (выносливостью) образца. Испытания на усталость (ГОСТ 25.502-79)проводят на специальных машинах, позволяющих получить повторно-переменные напряжения – изгиб при вращении при консольном нагружении. Сопротивление металла циклическому нагружению характеризуется пределом выносливости (усталости) σ -1 , т.е. наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за заданное число циклов N (цикл – однократная смена напряжений σ min /σ max = -1). По результатам испытаний строят кривую усталости в координатах σ -N. 1 – образец, 2 – шпиндель, 3 – подшипник. Схема изменения напряжений при испытании Горизонтальный участок кривой, когда напряжения не меняются при бесконечно большом числе циклов, соответствует пределу выносливости σ -1. Разрушение от усталости происходит внезапно, трещина образуется, как правило, на поверхности изделия и постепенно развивается вглубь, поэтому очень важно состояние поверхности изделия – любые ее дефекты являются концентраторами напряжений и облегчают образование усталостной трещины. Между пределом выносливости и пределом прочности существует определенная связь. Для сталей σ -1 /σ в ≈ 0,5, для медных сплавов – 0,3-0,5, для алюминиевых 0,25 – 0,4. 35 ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ 1. Что такое механические свойства материалов? 2. Какие виды нагружения вы знаете, в чем их отличие? 3. Что такое статические испытания, какие свойства можно определить этим видом испытаний? В чем разница в понятиях σ т и σ 0,2 ? 4. Что такое ударная вязкость КСU, как определить эту характеристику? 5. Какие свойства металла можно определить при усталостных испытаниях? 6. Что такое твердость материала? 7. Какие виды испытаний на твердость вы знаете? 8. Что такое KCU, KCV, KCT материала? 9. Как проводятся испытания на твердость по Бринеллю? 10. Что такое – HRA, HRB, и HRC? Задача № 1 При испытании на выносливость были изучены два образца – шлифованный и полированный. Какой из образцов имел более высокий предел выносливости и почему? Задача № 2 У одного и того же материала были определены значения KCU, KCV и KCT. Какое из значений было самым высоким и почему? Задача № 3 Необходимо замерить твердость у образцов из мягкого алюминиевого сплава и твердой закаленной стали. Какие методы замера твердости должны быть рекомендованы для этого и почему? Задача № 4 Для вновь созданного металлического сплава необходимо определить характеристики прочности и пластичности. Какой метод испытаний вы рекомендуете и как проводится определение этих свойств? 36 7. ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА Деформированный металл из-за повышенной плотности несовершенств является термодинамически неустойчивым. При нагреве такого металла проходят процессы, приводящие к стабилизации системы и возвращению всех свойств к свойствам металла до деформации – процессы возврата и рекристаллизации. Нагрев на Т 0 < 0,1 – 0,2 Т пл – возврат. Это уменьшение дефектов строения без заметного изменения структуры и свойств. Первая стадия возврата (отдых) – все изменения на уровне тонкой (внутризеренной) структуры без изменения формы и размеров зерен. Проходит уменьшение вакансий и плотности дислокаций, аннигиляция дислокаций. Несколько увеличивается пластичность, уменьшается электросопротивление. Полигонизация – образование субзерен (полигонов) с мало условными границами – дислокации разных знаков аннигилируют, а избыточные дислокации одного знака выстраиваются в стенки и образуют в пределах кристалла субграницы, ограничивающие объемы (субзерна), свободные от дислокаций. а) б) до полигонизации полигонизация Дальнейший нагрев приводит к процессу рекристаллизации – образование и рост новых равноосных зерен с меньшим количеством дефектов, чем в волокнистой структуре деформированного металла. Температура начала рекристаллизации tн.р. = 0,1 – 0,2 Т пл – чистые металлы; tн.р. = 0,4 Т пл – технически чистые металлы; tн.р. = 0,5 – 0,6 Т пл – сплавы. 37 РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ Первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки) – полная замена волокнистой деформированного структуры металла на равноосные зерна. Резко снижается плотность дислокаций, наклеп снимается полностью, растет пластичность, снижается прочность. Собирательная рекристаллизация – рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Основная причина роста – снижение протяженности границ. Вторичная рекристаллизация – предпочтительный рост отдельных новых зерен и формирование разнозернистости. в) г) в – собирательная, г – вторичная рекристаллизация а) б) а – начало б – конец первичной рекристаллизации Процесс рекристаллизации и размер рекристаллизованного зерна влияют на свойства деформированного металла. Размер рекристаллизованного зерна d зависит от температуры нагрева и степени деформации (диаграмма рекристаллизации). tп.р. – температурный порог рекристаллизации; t1 – начало собирательной рекристаллизации. Чем меньше зерно, тем выше прочность и вязкость металла. 38 ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ 1. Что происходит с деформированным металлом при нагреве? 2. Что такое возврат и как меняется структура и свойства деформированного металла при возврате? 3. Что такое рекристаллизация: - первичная; - собирательная; - вторичная? 4. Как и почему меняется структура и свойства при рекристаллизации? 5. От каких факторов зависит температура рекристаллизации? 6. Чем определяется размер зерна пластически деформированного металла после рекристаллизации? 7. Как влияет размер рекристаллизованного зерна на свойства? Задача № 1 В деталях из алюминия, изготовленных штамповкой, в некоторых сечениях после рекристаллизованного отжига получилось очень крупное зерно. Чем можно объяснить это явление? Задача № 2 Определите температуру рекристаллизационного отжига латуни, если 0 температура плавления ее 980 С. Задача № 3 Образцы железа после холодной деформации на 80 % нагревались до 0 0 температуры 300, 500, 600, 650, 700 С. Укажите, при какой Т произойдет рез0 кое падение твердости и укажите причину этого явления (Т пл железа – 1539 С). Задача № 4 При изготовлении волочением стальной проволоки ее пластичность оказалась очень низкой. Каким образом можно увеличить ее пластичность, укажите причину и режимы обработки. Задача № 5 0 Зубчатое колесо из стали 45 получено горячей штамповкой (Т конца 0 штамповки ~ 800 С). Объясните, почему в данном случае при деформации не произошло увеличение твердости (наклепа). 39 8. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД (МЕТАСТАБИЛЬНАЯ ДИАГРАММА) КОМПОНЕНТЫ ДИАГРАММЫ Железо – переходный металл серого цвета, находится в VIII группе периодической системы, атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Температура плавле0 ния 1539 С. Имеет две полиморфные модификации: Feα (Feδ) – решетка ОЦК; Полиморфные превращения проходят при температурах. 0 911 С - Feα ↔ Feγ Углерод – неметаллический элемент, 2 период, IV группа периодической системы, атомный номер 6, атомная 3 масса 12, плотность 2,5 г/см , атомный радиус 0,077 нм, температура 0 плавления 3500 С. Обладает полиморфизмом, в обычных условиях может существовать в виде графита и алмаза. Графит является устойчивой аллотропической формой в обычных условиях. Углерод в виде графита имеет слоистую кристаллическую решетку. 13920 С - Feγ ↔ Feδ При 7680 С – точка Кюри (магнитное превращение) – переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Это превращение не связано с изменением типа кристаллической решетки и имеет электронную природу. Чистое железо (99,9917 % Fe) имеет твердость НВ 490 Мпа, 3 плотность 7,874 г/м , оно пластично (δ ~ 40 – 45 %). Техническое железо содержит 99,9 % Fe. Между атомами углерода каждого слоя действуют ковалентные связи, т.к. межатомные расстояния очень малы. Слои находятся на больших расстояниях друг от друга. 40 41 ФАЗЫ СИСТЕМЫ Углерод взаимодействует с железом, образуя фазы системы. Углерод неограниченно растворим в жидком железе, образуя жидкую фазу – неограниченный жидкий раствор с (Fe). Химическое соединение – цементит – Fe3 C образуется при содержании углерода 6,67 %, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Имеет очень высокую твердость, хрупок. Условная плавления температура 0 1500 С. Цементит (Ц) - Fe3 C может диссоциировать на железо и графит: Fe3 C → 3Fe + С(Г) Углерод растворим в твердом железе Feα и Feγ, образуя ограниченные твердые растворы с (Fe). Феррит – (α) – твердый раствор внедрения углерода в железе α. Максимальная растворимость – о,02 % 0 при 727 С, минимальная – 0,006 % при 0 Т ком. Низкотемпературный феррит (α), высокотемпературный (δ). Имеет ОЦК решетку, мягок, пластичен. Аустенит – (γ) – твердый раствор внедрения углерода в железе γ. Максимальная растворимость – 2,14 % 0 при 1147 С, минимальная – 0,8 % при 0 727 С. Имеет решетку ГЦК. Аустенит немагнитен, пластичен. Графит – чистый углерод, мягкий, низкая прочность. Диаграмма состояния железо-углерод может характеризовать как метастабильное равновесие системы (Fe- Fe3 C), так и стабильное – Fe-графит). 42 ХАРАКТЕРИСТИКА ОТДЕЛЬНЫХ ТОЧЕК И ЛИНИЙ НА ДИАГРАММЕ Fе- Fе3 C ABCD – линия ликвидус (начало кристаллизации); АВ – выделение L→δ, ВС – выделение L→γ, СD – выделение L→ Fe3 CI – цементита первичного; AHJEF – линия солидус – (конец кристаллизации); 0 НJB – линия перитектического превращения – 1500 С Lв + δ н → γ j ; ЕСF – линия эвтектического превращения – 11470 С Lc → γ e + Fe3C ; Lc – ледебурит; с – эвтектическая точка 4,3 %С. Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита. 0 РSK – линия эвтектоидного превращения – 727 С γ s → α p + Fe3C ; γs - перлит; ' S – эвтектоидная точка 0,8 %С; Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита. ЕS – линия изменения растворимости углерода в γ железе и выделения цементита вторичного Fe3 CII. 0 Максимальная растворимость – 2,14 % при 1147 . 0 Минимальная растворимость – 0,8 % при 727 . РQ – линия изменения растворимости углерода в α железе и выделения цементита третичного Fe3 CШ. 0 Максимальная растворимость – 0,02 % при 727 . Минимальная растворимость – 0,008 % при комнатной температуре. GQ – линия начала полиморфного превращения Feγ→Feα (при охлаждении); GP – линия конца полиморфного превращения Feγ→Feα. Температуры, соответствующие определенным линиям диаграммы состояния Fe-Fe3 C, называют критическими точками. Эти точки имеют международное обозначение – Аr (при охлаждении) и Ас (при нагреве) от начальных букв французских слов А – arrêt (остановка, площадка), r – refroidissеment (охлаждение), с – chauffage (нагрев). 43 Критические точки сплавов железо-углерод соответствуют линиям диаграммы Fe-Fe3 C 0 А1 (Аr1 , Ac 1 ) – линия PSK (727 C) – перлитное превращение; 0 А2 (Аr2 , Ac 2 ) – линия МО (728 С) – магнитное превращение, точка Кюри; А3 (Аr3 , Ac 3 ) – линия GS', полиморфное α→γ превращение; А4 (Аr4 , Ac 4 ) – линия NH, полиморфное γ→δ превращение; Аm(Аrm, Ac m) – линия SE, выделение цементита вторичного. Для чистого железа критические точки: А2 – 7280С, А3 – 9110С, А4 – 13920С Кривая охлаждения чистого железа С увеличением содержания углерода в сплавах железо-углерод температура критической точки А3 снижается, а А4 повышается. Значение точек А1 и А2 не меняется. 44 В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на три группы - техническое железо, стали и чугуны. Техническое железо - ≤0,02 % углерода, структура – феррит или феррит и Fe3 CIII (третичный цементит). Стали – сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14 %. Структура сталей формируется с прохождением эвтектоидного превращения: γs → α p + Fe3 C (перлит). По содержанию углерода стали подразделяются на: - доэвтектоидные 0,02 – 0,8 %С. Структура феррит + перлит; - эвтектоидная – 0,8 % C, структура – перлит (П); - заэвтектоидные – 0,8 – 2,14 %С. Структура – перлит + цементит вторичный (Fe3 CII). Белые чугуны – сплавы с содержанием углерода больше 2,14 % С. Формирование структуры происходит при эвтектическом и эвтектоидном превращении, с образованием структурных составляющих ледебурита и перлита. По содержанию углерода белые чугуны подразделяются на: - доэвтектические – 2,14 – 4,3 %С. Структура - перлит + ледебурит; - эвтектический – 4,3 % С. Структура 100 % ледебурита; - заэвтектические – 4,3 – 6,67 %С. Структура – ледебурит + цементит первичный (Fe3 CI). Ледебурит и цементит – хрупкие структурные составляющие, определяющие хрупкость белых чугунов. Чугуны обладают хорошими литейными свойствами, имеют меньшую усадку, что объясняется присутствием легкоплавкой эвтектики – ледебурита. C увеличением углерода в сталях количество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается, что приводит к повышению твердости, прочности и снижению пластичности стали. Цементит вторичный Fe3 CII и цементит третичный Fe3 CIII выделяются за счет уменьшения растворимости углерода в аустените и феррите при охлаждении. 45 МИКРОСТРУКТУРА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Fe – Fe-Fe3 C Техническое железо Fe3 CIII Белые чугуны – весь углерод находится в связанном состоянии в виде Fe3 C. Доэвтектический перлит + ледебурит фазы (α, Fe3C) фазы (α, Fe3C) Доэвтектоидная сталь феррит (α) + перлит Эвтектический фазы (α, Fe3C) ледебурит фазы (α, Fe3C) Эвтектоидная сталь перлит (α+ Fe3 C) фазы (α, Fe3C) Заэвтектический Заэвтектоидная сталь Ледебурит + Fe3C фазы (α, Fe3C) перлит Fe3 CII фазы (α, Fe3C) Фазовый состав всех сплавов при температурах ниже 7270 С одинаков у всех сталей и чугунов - α и Fe3 C; c увеличением количества углерода α фазы становится меньше, а количество цементита возрастает. 46 Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим кроме углерода ряд постоянных и технологических примесей, влияющих на ее свойства. Влияние углерода – с увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита Fe3 C, что приводит к возрастанию твердости, прочности, но потере пластичности. Влияние примесей – примеси попадают в сталь при выплавке при раскислении или из шихты. Постоянные примеси: Mn до 0,8 %, Si до 0,3 % - полезные примеси, попадают в сталь при раскислении. Они растворяются в феррите, упрочняя его, однако Si снижает пластичность и способность стали к вытяжке. Марганец резко уменьшает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. S ≤0,04 %, P≥0,03 % - вредные примеси, попадают в сталь из шихты. Сера является причиной красноломкости – межзеренного разрушения при горячей пластической деформации, включения серы (сульфиды) снижают вязкость и пластичность, а также σ -1 . Фосфор вызывает хладноломкость, т.к. повышает температурный порог хладноломкости и образует сегрегации по границам зерна. Газовые примеси – Н2 , N2 , O2 , в количестве < 0,008 % - образуют неметаллические включения – оксиды FeO, Fe2 O3 , SiO2 , нитриды, газовые пузыри, что ухудшает свойства стали. Водород сильно охрупчивает сталь. Твердые хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т.е. повышают сопротивление пладеформированию. стическому Увеличение количества углерода повышает порог хладноломкости, снижает теплопроводность, растет электрическое сопротивление и коэрцитивная сила. 47 ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ 1. Какие фазы образуются в метастабильной системе железо-углерод? Дать их характеристику. 2. Напишите эвтектическую и эвтектоидную реакции системы Fe-Fe3 C. Какие структурные составляющие при этом образуются? (Система метастабильная). 3. Что такое критическая точка стали? Какие критические точки при охлаждении вы знаете? 4. Что такое сталь? Как подразделяются стали в зависимости от содержания углерода? 0 0 5. Структура стали, содержащей 0,45 % С при Т ком; при 900 С? 6. Что такое эвтектоидная сталь, какова ее структура? 7. Какие стали являются заэвтектоидными, какова структура этой стали? 8. Что такое белый чугун и как подразделяются чугуны по содержанию углерода? 9. Структура белых чугунов: 3 %С, 3,8 %С, 4,3 %С, 5 %С? 10. Как меняется структурный и фазовый состав сплавов в зависимости от содержания углерода. Как это влияет на свойства? 11. Что такое цементит первичный, вторичный? 12. Какие примеси могут присутствовать в составе стали и как они влияют на свойства? Задача № 1 Постройте кривую охлаждения для стали с 4 %С и объясните процессы образования структуры в этой стали. Задача № 2 Какую структуру будет иметь сталь с содержанием углерода 1,2 % при 0 температуре 750 С? Что изменится в структуре этой стали, если ее нагреть еще 0 выше – до температуры 950 С? Задача № 3 Что происходит в структуре стали с 3,6 %С при охлаждении в его интервале температур между линиями ECF и PSK диаграммы? Задача № 4 Какие фазы и структурные составляющие можно получить в сплаве с 0 0,01 % при его охлаждении от 1550 С до комнатной температуры? Какие фазовые превращения при этом проходят в сплаве? Задача № 5 Определить состав эвтектоида в сплаве с 0,7 %С, если сплав был переох0 лажден до 700 С. 48 9. ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД Легирующие элементы – металлы или неметаллы, специально вводимые в сплавы системы железо-углерод с целью изменения структуры и свойств сплава. Стали системы Fe-C-ЛЭ (легирующие элементы) называются легированными. ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Металлы железной группы – Co, Ni, Mn Тугоплавкие металлы – Т пл > Т пл Fe. W, Mo, Nb, V, Cr и др. Легкие металлы – Ti, Al. В сплавах железо-углерод классификацию легирующих элементов проводят по степени сродства легирующих элементов к углероду и по влиянию их на диаграмму состояния железо-углерод. По степени сродства легирующих элементов к углероду они подразделяются на: карбидообразующие – Fe, Cr, Mn, Mo, W, V, Nb, Ti, Zr, Ta – переходные металлы с недостроенной d – оболочкой, стойкость карбида возрастает от Fe к Ta; некарбидообразующие – Cu, Ni, Co, Si, Al и др. По влиянию на диаграмму железо-углерод легирующие элементы подразделяются: - элементы, расширяющие γ область; - элементы, сужающие γ область. Расширение или сужение γ области связано с влиянием легирующих элементов на температуры критических точек A1 , А3 . 49 По влиянию легирующих элементов положение критических точек они подразделяются на две группы: Первая группа элементов – Ni, Mn, Co, Pt, C, N, Cu – расширяющая область γ твердого раствора. Легирующий элемент повышает точку А 4 и понижает точку А3. Сплавы, имеющие концентрацию легирующего элемента больше точки x, не испытывают α → γ превращения и имеют структуру твердого раствора γ при любом температуре. Это аустенитообразующие элементы. Вторая группа – элементы Cr, Si, Al, W, V, Mo, Ti, Sn, Sb, Be – сужающие γ и расширяющие α-область, понижают точку А4 и повышают точку А3 . При концентрации точки y значение точек А3 – А4 сливаются в одну, и во всех сплавах концентрации больше у 0 при любой Т структура легированного α раствора. Это ферритообразующие элементы. 50 Диаграммы состояния Fe – легирующий элемент, показывающие влияние легирования на положение критических точек стали. точка А 3 снижается, А 4 - повышается Замкнутая γ область 51 Легирующие элементы интенсивно смещают точку А1 , изменяя температуру α→γ превращения, и меняют количество углерода в эвтектоиде (точки P, S, E на диаграмме), а также влияют на фазовые превращения при нагреве и охлаждении. Влияние легирования на положение точки А 1 – линия PSK диаграммы. Карбидообразующие элементы (V, Ti, W, Mo и др.) повышают температуру точки А1 температуру α→γ перехода. Некарбидообразующие элементы понижают температуру А1 , особенно Ni и Mn. Cr до 12-13 % слабо влияет на точку А1 , а при содержании >14 % резко повышает температуру точки А1 . Влияние легирования на содержание углерода в эвтектоиде (точка S диаграммы смещается в область меньшего содержания углерода). Некарбидообразующие элементы – Ni, Co, Si уменьшают % углерода в эвтектоиде, смещая линию ES вправо; Mo, W при небольшом количестве также смещают S вправо. Наиболее сильное влияние оказывают сильные карбидообразователи – Ti, Nb, V, Ta. Они резко снижают % С в эвтектоиде. 52 ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ 1. Что называют легирующим элементом? 2. Как подразделяются легирующие элементы: - по отношению к железу; - по отношению к углероду? 3. Какое влияние оказывает Ni и Mn на положение критических точек А3 , А4 ? 4. Какие легирующие элементы сужают область γ и расширяют область α, как они называются? 5. Как влияют карбидообразующие элементы на положение точек S и Е диаграммы Fe-Fe3 C? 6. Как влияет легирование на положение критической точки А1 и количество углерода в эвтектоиде? 7. Что такое легированная сталь? 8. Как влияют Сr, W, V на положение критических точек в стали? 9. Что такое аустенитообразующие элементы? 53 10. СТАБИЛЬНАЯ ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД (ГРАФИТ) Диаграмма Fe-C при стабильном равновесии показывает, что вместо нестабильной фазы цементит Fe3 C образуется стабильный графит. Образование графита может происходить непосредственно из жидкой фазы или вследствие распада цементита Fe3 C → 3Fe + C (Гр). Образование графита в сплавах Fe-C носит название графитизации. Чугуны, кристаллизующиеся по стабильной диаграмме Fe-C, носят название серых чугунов (излом имеет серый цвет). Эвтектическая реакция 11530 Le / →γ e / + Гр. 0 738 γ s / →α p / + Гр. Эвтектоидная реакция Образующиеся графит имеет форму изогнутых пластин. При полной графитизации структура чугуна α + Г – серый чугун на ферритной основе. Г Если часть углерода останется в металлической основе (Fe) – возможна структура: П + Гр и Ф + П + Гр α 54 11. ЧУГУНЫ Сплавы железа с углеродом при содержании углерода > 2,14% называются чугунами. ЧУГУНЫ Белые чугуны – весь углерод находится в связанном состоянии в виде Fe3C. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Структура см. стр. 45 Серый чугун – углерод в виде графита, получается либо по диаграмме FeC стабильной, либо с добавлением элемента графитизатора Si. По существу, эта система Fe-C-Si, содержащая в качестве постоянных примесей Мn, P, S. Структура серого чугуна в отливках зависит, в первую очередь, от химического состава ( %С+%Si) и скорости охлаждения. Изменяя эти параметры, можно получить разную структуру металлической основы. СТРУКТУРНЫЕ ДИАГРАМ М Ы СЕРЫХ ЧУГУНОВ В зависимости от состава чугуна, суммы (%С + %Si), скорости охлаждения (толщины отливки) различают: I. Белые чугуны – П + Л; II. Половинчатые (>0,8 %С связано в виде Fe3 C) – П + Л + Г; III. Первичный серый чугун – П + Г (~ 0,8 % С связано в виде Fe3 C); IV. Ферритно-перлитный серый чугун – Ф + П + Г (0,7-0,1 %С – Fe3 C); V. Ферритный серый чугун – Ф + Г (Fe3 C нет). 55 ЧУГУНЫ По форме выделения графита чугуны подразделяются на : Серый технический – пластинчатая форма выделения графита. Чем меньше пластины, чем они более изолированы, тем большую прочность и износостойкость имеют серые перлитные чугуны. Высокопрочный шаровидная форма выделений графита. Для получения шаровидной формы чугун модифицируют магнием (0,03-0,07 %). Имеют высокую прочность за счет шаровидного графита (подобна прочности литой углеродистой стали). Ковкий чугун – имеет хлопьевидную форму графита. Получают отжигом белого чугуна, при отжиге цементит распадается на железо и графит, который выделяется в структуре. По сравнению с серым техническим имеет чугуном большую пластичность. В зависимости от структуры металлической основы серые, высокопрочные и ковкие чугуны могут быть перлитными (структура (П + Г)), ферритно-перлитными (Ф + П + Г) и ферритными (Ф + Г). 56 КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНА ПО СТРУКТУРЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ И ФОРМЕ ГРАФИТНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ (СХЕМА) Структура основы СЕРЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ВЫСОКОПРОЧНЫЙ КОВКИЙ пластинчатая шаровидная хлопьевидная Перлитный (перлит) Ферритоперлитный (Ф +П) Ферритный (Ф) МАРКА И ПРИМЕНЕНИЕ ЧУГУНОВ ТИП ЧУГУНА М АРКИ СВОЙСТВА И ПРИМ ЕНЕНИЕ Ферритные и ферритоперлитные серые технические Перлитные серые технические СЧ10, СЧ15, СЧ18 СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35 Перлитные высокопрочные ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ85, ВЧ100, ВЧ120 Феррито-перлитные высокопрочные ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45 Перлитные ковкие Ферритный ковкий КЧ50-5, КЧ55-4 КЧ37-12, КЧ35-10, КЧ30-6, КЧ33-8 σ в.изб. = 280-320 Мпа. Толщина стенки отливки до 10 – 100 мм. Строительные колонны, фундаментные плиты, литые малонагруженные детали в авто- и сельхозстроении, поршни, цилиндры и т.д. Детали станков, детали кузнечно-прессового оборудования, коленчатые валы, крышки цилиндров и т.д. В тяжелом машиностроении – шабат молоты, траверс пресса, прокатные валки и т.д. Вилки карданного вала, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д. 57 ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ 1. В чем заключается основное отличие структуры белых и серых чугунов, причины этого отличия? 2. Какие формы графита существуют в чугунах, как форма графита влияет на механические свойства? 3. Какой может быть структура металлической основы серых чугунов и от чего это зависит? 4. Как получить высокопрочный чугун? 5. Как получить ковкий чугун? Задача № 1 Отливка толщиной 50 мм отливалась из серого чугуна с 3,2 %С. В качестве графитизатора был добавлен кремний в количестве 1,5 %. Какую структуру будет иметь отливка? Задача № 2 Для отливки толщиной стенки 60 мм необходимо иметь структуру серого технического чугуна на перлитной основе. Был рекомендован чугун с содержанием углерода и кремния (в сумме) 3,5 %. Возможно ли получение заданной структуры в этом чугуне. Ответ обосновать. Задача № 3 Отливка чугуна с 3,5 %С и 1,5 %Si имела структуру графита на перлитной основе. Сколько углерода находится в графитной фазе и сколько приходится на металлическую основу? Ответ обосновать. Задача № 4 Для отливки серого чугуна необходимо иметь сочетание твердости в пределах 250-260 НВ при сохранении достаточной пластичности. Какой чугун надо применить в данном случае, как получить его? Задача № 5 Какую структуру будет иметь чугун системы Fe-C-Si-Mg при содержании углерода 3,2 % и кремния 2 %? Где применяется это чугун? 58 12. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД (ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ) 1. ПРЕВРАЩЕНИЕ ФЕРРИТО-ЦЕМЕНТИТНОЙ (ПЕРЛИТА) СТРУКТУРЫ В АУСТЕНИТ ПРИ НАГРЕВЕ (АУСТЕНИЗАЦИЯ). Образование аустенита при нагреве (аустенизация) является диффузионным процессом и подчиняется законам кристаллизации. Эвтектоидная сталь – нагрев выше критической точки АС1 (7270 С). П(α 0,02%С + Fe3 C6,67%С)→γ0,8%С Превращение состоит из двух одновременно проходящих процессов: полиморфного α→γ и растворения в аустените Fe3 C. Зародыш аустенита возникает на границе раздела α и Fe3 C и растет за счет диффузии атомов углерода в аустените от феррита и цементита к зародышу аустенита. Рост участков аустенита за счет полиморфного превращения идет быстрее, чем растворение Fe3 C. Поэтому после завершения α→γ превращения сохраняется Fe3 C. Для его растворения необходимо дополнительное время. Аустенизация доэвтектоидной стали – нагрев до температуры выше точки АС3 – (α+П)→ γ. Содержание углерода в аустените меняется по линии GS диаграммы. Схема изотермического образования аустенита при нагреве. 1. Исходная структура перлита. 2. Начало полиморфного α→γ превращения и растворения Fe3 C в аустените. 3. Развитие превращения. 4. Полиморфное превращение закончено, остался нерастворенный Fe3 C. 5. Конец превращения. Чем выше скорость нагрева (V1 ), тем 0 выше Т образования аустенита и шире интервал температур превращения. Аустенизация заэвтектоидной стали - нагрев до температуры выше точки АС1 – П + Fe3 CII→γ+ Fe3 CII выше АСm - γ + Fe3 CII→γ содержание углерода в аустените меняется по линии ES диаграммы. 59 Число образовавшихся на границе раздела фаз Ф-Ц зародышей аустенита достаточно велико, образовавшиеся зерно (начальное зерно) мелкое. Дальнейший нагрев приводит к его росту (снижение энергии системы за счет уменьшения протяженности границ). По склонности к росту различают: Наследственное зерно а – размер исходного зерна перлита; б – начальное зерно аустенита; в, г – наследственное зерно (стандартная проба – размер зерна 0 при 930 С). 1 – наследственно крупнозернистые стали, зерно растет сразу. Эти стали раскислены FeSi, FeMn. 2 – наследственно мелкозернистые стали. Зерно растет только выше температур стандартной пробы. Стали раскислены FeSi, FeMn и Al. Устойчивые дисперсные частицы (в основном АlN) располагаются на границах зерна, образуя барьер, и препятствуют росту зерна при нагреве. Действительное зерно Д ейс твительное з ерно – зерно, с ущес тв ующее при данной температуре. Его раз мер обу0 с ловлен Т нагрева, временем выдержки и с клоннос тью с тали к рос ту з ерна при нагреве (нас ледс твеннос тью) От раз меров дейс твительного з ерна з авис ит раз мер продуктов рас пада аус тенита при охлаждении и, с ледовательно, по с войс твам с тали. Величина дейс твительного з ерна практичес ки не влияет на σ в , σ 0 ,2 , δ, ϕ. Рос т з ерна рез ко с нижает вяз кос ть и повышает температурный порог хладноломкос ти. Крупное дейс твительное з ерно → перегрев . Перегрев можно ис править термичес кой обработкой. 0 Нагрев до выс оких Т и появ ления с етки окис лов на границах з ерна – пережог, дефект ис править нельз я, с таль переплавляют. 60 2. ПРЕВРАЩЕНИЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА (ДИАГРАММА ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО РАСПАДА ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА) Переохлаждение стали со структурой аустенит, полученной в результате аустенизации ниже точки Аr1, приводит аустенит в метастабильное состояние и он претерпевает превращение. Кинетика превращения описывается диаграммой изотермического превращения (распада) аустенита, которая строится экспериментально в координа0 тах t – время. ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАМ М Ы Нагрев образцов до температур стабильной аустенита (выше критической точки) и быстрое охлаждение до температур ниже А1 , например 0 0 0 0 700 , 600 , 500 , 400 и т.д. Выдержка при этих температурах до полного распада аустенита (фиксируют изменение какого-нибудь свойства, например магнитных характеристик: аустенит парамагнитен, а продукты его превращения ферромагнитны). Построение кинетической кривой распада при заданной температуре. Схема построения диаграммы Время начала превращения (точки а1 , а2 , а3,…) и конца превращения (точки b1 , b2 , b3,…) отнесены к температуре превращения (t1 , t2 , t3,…) и одноименные точки соединены между собой. ОА – инкубационный период превращения; а – время начала превращения аустенита; b – время конца превращения аустенита. 61 Диаграмма изотермического распада показывает превращение переохлажденного аустенита, протекающее при постоянной температуре в течение определенного времени. На рис. 8,а приведена диаграмма эвтектоидной стали. При изотермическом превращении в до- и заэвтектических сталях в верхнем интервале температур сначала выделяются избыточные фазы – феррит (доэвтектоидная) и цементит (заэвтектоидная) сталь. На диаграмме отмечается дополнительная кривая (б). а б Рис. 8 В зависимости от степени переохлаждения различают три температурных области его превращения. Перлитное превращение протекает в интервале температур от точки А1 до изгиба изотермической диаграммы (~5500 С), происходит диффузионный распад аустенита с образованием перлитных структур – перлит, сорбит, троостит. Бейнитное (промежуточное) превращение протекает при темпера0 турах от ~550 С до точки Мн. Превращение имеет ряд особенностей, присущих как перлитному, так и мартенситному превращениям. Образуется структура - бейнит. 62 Мартенситное превращение – протекает в интервале температур (Мн-Мк). Аустенит бездиффузионно превращается в мартенсит, и остается некоторое количество аустенита непревращенного. ПЕРЛИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ Перлитное превращение связано с перераспределением углерода в аустените и полиморфным γ→α превращением, что приводит к образованию феррито-цементитной смеси – перлита. Превращение имеет диффузионный механизм. А0,8%С → Ф0,02% + Fe3 C6,67% М ЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ - образование зародыша Fe3 C в местах флуктуации углерода (чаще на границах зерна аустенита). - обеднение прилегающих к зародышу участков аустенита углерода за счет роста частиц карбида. - полиморфное γ→α превращение в участках аустенита, обедненных углеродом. Кристаллы феррита зарождаются на границе аустенит – цементит. - рост пластинок феррита и оттеснение атомов углерода в соседние объемы аустенита. - образование флуктуаций углерода в этих объемах аустенита. Созданы условия для образования новых зародышей Fe3 C. ∆ 0 – межпластинчатое расстояние Температура превращения (степень переохлаждения относительно Ar1 ) влияет на структуру и свойства. 0 0 t превращ., С Аr1 – 650 650 - 590 580 - 550 СТ РУКТ УРА ∆ 0 , мкм 0,6 – 1,0 0,25 – 0,30 0,1 – 0,15 перлит сорбит троостит 63 НВ, МПа 1800 – 2500 2500 – 3500 3500 - 4500 МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ Мартенсит – пересыщенный упорядоченный твердый раствор внедрения углерода в решетке α-железа. Содержание углерода в мартенсите может быть таким же, как 0 в исходном аустените (растворимость углерода в Feα при 20 ~ 0,008%). А0,8%С → М0,8%С (нет перераспределения углерода между фазами). Температурный интервал превращения – Мн–Мк. механизм превращения - сдвиговой процесс, который осуществляется кооперативным, направленным смещением атомов на расстояния меньше межатомного, что приводит к перестройке γ→α решетки. Отсутствие диффузии углерода приводит к образованию тетрагонального искажения решетки (с/а ≠ 1). с/а = 1 + 0,046С кинетика превращения - мартенситное превращение протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур Мн – Мк. Растущие кристаллы когерентно связаны с аустенитом. Типичная форма кристаллов – пластина или линза. Превращение не идет до конца, остается некоторое количество Аост. кривая мартенситного превращения а Положение точек Мн и М зависит от количества углерода в стали. б а – решетка мартенсита; б – зависимость параметров решетки от %C в стали. Превращение γ→М приводит к увеличению объема, что может привести к образованию больших внутренних напряжений и трещин. 64 Свойства мартенсита зависят от количества углерода в стали. Чем больше углерода, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность, выше хрупкость. Это объясняется влиянием внедренных атомов углерода в решетку α-фазы и повышенной плотностью дефектов кристаллического строения, образовавшихся при мартенситном превращении. Различают два основных морфологических типа мартенситных кристаллов Мартенсит пластинчатый (двойниковый). Образуется в высокоуглеродистых сталях (> 0,8 %С). Точка Мн низкая. Мартенсит реечный (пакетный). Образуется в сталях с содержанием углерода до 0,5 % Мн лежит при высоких температурах. схема структуры Кристаллы М имеют линзовидную форму, не параллельны, образуют сложные пространственные группы. Схема структуры Кристаллы М имеют форму тонких (0,1 – 0,2 мкм) пластин (реек), группа пластин образует пакет. микроструктура микроструктура В структуре сталей с содержанием углерода от 0,5 % - до 0,8 % присутствуют оба типа мартенсита. 65 ПРОМЕЖУТОЧНОЕ (БЕЙНИТНОЕ) ПРЕВРАЩЕНИЕ Превращение сочетает в себе элементы диффузионного превращения - перераспределение углерода, и бездиффузионного превращения (мартенситного) – сдвиговых механизм полиморфного γ→α превращения. Температурный интервал превращений Мн < Т б.п. < Т перл.превращ. МЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ АУСТЕНИТ перераспределение углерода в аустените Аустенит, богатый углеродом Аустенит, обедненный углеродом выделение карбида карбид Fe3 C аустенит, обедненный углеродом мартенситное превращение мартенсит (α, пересыщенный С) выделение карбида α - фаза карбид Fe3 C бейнит 66 СТРУКТУРА БЕЙНИТ В результате промежуточного превращения образуется бейнит – структура, состоящая из α-твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом и частиц карбида. Различают структуру: верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит Нижний бейнит Образ уетс я при 500 – 350 0 С, имеет вид "рез аной с оломы". Цементитные час тицы в виде обос обленных уз ких плас тинок. Пониженная прочнос ть в с очетании с невыс окой плас тичнос тью. Образуется при 350 – Мн. Имеет игольчатое (пластинчатое) строение. Частицы цементита выделяются в αфазе. Высокая твердость и прочность в сочетании с хорошей пластичностью. схема структуры схема структуры микроструктура, х 1000 микроструктура, х 1000 67 Легирующие элементы существенно влияют на скорость превращения аустенита при охлаждении. Легирующие элементы не меняют механизм перлитного и бейнитного превращений, сдвигают диаграмму изотермического распада аустенита вправо (за исключением Со). При легировании карбидообразующими элементами может меняться вид диаграммы. Это приводит к увеличению устойчивости переохлажденного аустенита и снижению Vкр. Легирующие элементы не меняют механизма мартенситного превращения, но изменяют температурный интервал превращения Мн – Мк и количество аустенита остаточного в структуре (Аост). Кривые критических скоростей закалки уг леродистой (1) и лег ированной (2) сталей Снижение Vкр дает возможность закалки в масле, что снижает закал напряжения, снимает коробление, поводку деталей. Снижение точек Мн, Мк ниже комнатной температуры также приводит к увеличению % Аост, что ухудшает свойства стали. 68 ПРЕВРАЩЕНИЕ ПРИ ОТПУСКЕ Нагрев закаленной стали до температур ниже АС1 называют отпуском. При отпуске происходят структурные изменения, приводящие систему в более устойчивое состояние. (М + Аост) → Ф + Fe3 C ДИФФУЗИОННЫЙ М ЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ (ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА) 0 ТС Сегрегация уг- ≤ 100 лерода I превращение при отпуске: 1 стадия < 200 2 стадия 200-300 II превращение 250-350 при отпуске III превраще- 350-400 ние при отпуске IV превраще- 500-600 ние при отпуске – коагуляция карбидов 600-680 Происходящие процессы Структура Образование сегрегаций М закалки (скоплений) углерода на дислокациях. Мз → Мот Образование в мартенсите εкарбида Fe2 C (тонкие пла- плотность дислостинки). Уменьшение тетра- каций уменьшаетгональности мартенсита. ся, искажения реУкрупнение пластинок ε- шетки остаются. карбида за счет углерода из Мот (αтетр. + ε) участков пересыщенного % С уменьшается раствора. Образование Мот из Аост. Мот, Аост. (М, обедненный углеродом + Fe3C) Полностью завершается Мот → Т отп процесс выделения углерода троостит отпусиз мартенсита и образование ка - α и Fe3 C цементита Fe3 C. зернистой формы. Растворение мелких и рост Т отп → Сотп крупных карбидов. сорбит отпуска – смесь кристаллов феррита где и Fe3 C, dц~1 мкм. Укрупнение частиц карбида Зернистый перлит dц~3 мкм. 69 ВЛИЯНИЕ ОТПУСКА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ При низких температурах 0 отпуска (до 200-250 С) улучшается вязкость при сохранении высокой прочности и твердости. Повышение температуры от0 пуска от 250 до 550-600 С заметно снижается временное сопротивление, предел текучести, твердость, повышаются характеристики пластичности и трещиностойкости (Кс1 ). Легирующие элементы Cr, Mo, W, V, Co, Si затрудняют распад мартенсита и сдвигают температуру распада в область более высоких температур (4500 500 С), тормозят коагуляцию карбидов. Стали приобретают повышенную сопротивляемость к отпуску – теплостойкость. Элементы, не образующие карбидов, слабо влияют на превращение при отпуске. При отпуске легированных хромистых и хромоникелевых сталей снижается ударная вязкость и повышается температура перехода в хрупкое состояние – отпускная хрупкость. Необратимая хрупкость (I ро0 да ~ 400 С) не исправляется; обратимая (II рода ~ 0 500 –550 С) можно предотвратить быстрым охлаждением (кривая 2). 70 13. ПРЕВРАЩЕНИЕ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ОХЛАЖДЕНИИ При реальных скоростях охлаждения аустенит переохлаждается ниже температуры А1 и становится нестабильным. Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения аустенита, тем дисперснее (мельче) продукты его распада. Vk – критическая скорость охлаждения – минимальная скорость, при которой образуется мартенсит (касательная к С-образной кривой диаграммы). Скорость охлаждения: V1 – образуется перлит, V2 – сорбит, V3 – троостит. Бейнит при непрерывном охлаждении не образ уетс я. При скорос ти V4 час ть аус тенита переохлаждаетс я до точки Мн. Структура при охлаждении с этой с корос тью – троос тит и мартенс ит. Охлаждение с о с корос тью V5 > Vкр . переохлаждаетс я до точки Мн и в с труктуре образ уетс я мартенс ит + Ао с т . С увеличением с корос ти охлаждения с войс тва прочнос ти, твердос ти воз рас тают, а плас тичнос ти и вяз кос ти падают. 71 ТЕРМ ОКИНЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАМ М Ы ПРЕВРАЩЕНИЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА. Диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита приближенно характеризуют превращения, протекающие при непрерывном охлаждении. Термокинетические диаграммы Т 0 -τ служат для разработки технологических режимов термической обработки. Эти диаграммы строятся с учетом различных скоростей охлаждения и их влияния на температурные интервалы превращения и образующиеся структурные составляющие. а б Термокинетические диаграммы превращения переохлажденного аустенита: а – эвтектоидная сталь; б – доэвтектоидная легированная сталь с 0,3 %С, 1,0 %Cr, 0,15 %Mo (тонкие линии на рис. а – диаграмма изотермического распада. Диаграммы показывают, что при малых скоростях охлаждения углеродистой стали проходит перлитное превращение с образованием ферритоцементитной смеси разной дисперсности (перлит, сорбит, троостит). При охлаждении со скоростью V > Vкр перлитное превращение подавляется, А → М. В легированных сталях существует область бейнитного превращения и возможно образование бейнита. 72 ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ Вопросы: 1. В чем причина фазовых превращений, протекающих при нагреве или охлаждении стали? 2. Какая критическая точка соответствует перлитному превращению? 3. В чем различие между наследственно мелко- и наследственно крупнозернистыми сталями? 4. Что такое перегрев, пережог? 5. Каковы особенности перлитного превращения в стали, что такое сорбит, троостит? 6. Что такое мартенсит, какова его решетка, особенности мартенситного превращения? 7. От чего зависят свойства мартенсита и отношение c/a? 8. Что такое критическая скорость охлаждения? 9. Что такое бейнит, типы бейнитной структуры? 10. Какие процессы протекают при отпуске закаленной стали? 11. Как влияет температура отпуска на механические свойства стали? 12. Какие структурные изменения протекают при отпуске стали? 13. Почему охлаждение стали со скоростью меньше критической дает пониженную твердость стали? 14. Диаграмма изотермического распада аустенита. 15. Что такое остаточный аустенит? 16. Как влияют легирующие элементы на фазовые превращения при нагреве и охлаждении? 73 Задачи: Задача № 1 Укажите структуру стали 45, которая образуется при нагреве до температуры 7000 С, 7500 С, 8500 С, 9500 С, 10000 С, если сталь была при выплавке дополнительно раскислена алюминием в ковш? Изменится ли структура стали при подобном нагреве, если сталь раскислить только FeSi или FeMn? Задача № 2 0 Детали из стали У8 подверглись нагреву на температуру 780 С, после чего одна партия деталей охлаждалась с печью (очень медленно), а другая партия была перенесена в печь с температурой 5000 С и выдерживалась в ней 2 часа. Какая структура будет у деталей I и II партий после обработки и будут ли отличаться их свойства? Задача № 3 В сталях после нагрева на температуру 7700 С образовались структуры: а – мартенсит + феррит; б – мартенсит + цементит + Аост. Определить ориентировочно содержание углерода в сталях с разной структурой. Задача № 4 0 Образцы стали У8 были нагреты на температуру 770 С и после выдержки охлаждались в разных средах – на воздухе, в масле, в воде, растворе NaCl в воде. После охлаждения образцы имели разную твердость. Объясните причину этого явления. Задача № 5 В чем различие в фазовом составе и строении продуктов отпуска при 0 650 С и продуктов изометрического превращения переохлажденного аустенита при той же температуре в стали с содержанием углерода 0,4 %? Задача № 6 В стали с содержанием углерода 0,45 % необходимо получить наилучшее сочетание свойств прочности и пластичности. Рекомендовать температуру отпуска для этой стали и объяснить сделанный выбор. 74 14. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Термическая обработка – это процесс нагрева и охлаждения изделий из металлов и сплавов с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА Любую термическую обработку можно выразить в виде графика в коордиo натах температура нагрева t C – время τ. Vист – истинная скорость охлаждения (tg α) Виды термической обработки отличаются типом фазовых и структурных превращений, проходящих при нагреве и охлаждении. низкотемпературная ТМО высокотемпературная ТМО отпуск диффузионная металлизация 75 Термо-механическая – тепловое и деформационное воздействие (ТМО). старение поверхностная закалка борирование нитроцементация закалка без полиморфного превращения азотирование закалка с полиморфным превращением Химико-термическая тепловое и химическое воздействие (ХТО). цементация нормализация отжиг 2 рода отжиг 1 рода Собственно термическая – только тепловое воздействие. СОБСТВЕННО ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ТО) применяется для обработки как полуфабрикатов, так и готовых изделий. ОТЖИГ I РОДА Эта термическая обработка не зависит от фазовых превращений, протекающих при нагреве или охлаждении. Цель отжига I рода – устранить химическую и физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками. Гомогенизация (диффузионный отжиг) – слитки или отливки с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации. 0 Т отж ≈ Т пл – 100 С 0 Т отж стали – 1000-1250 С 0 Т отж сплавов Аl – 420-520 С Рекристаллизационный отжиг - деформированные полуфабрикаты или изделия для снятия наклепа и восстановления пластичности 0 Тотж > Т порога рекристаллизации (Т п.р.) Отжиг для снятия остаточных напряжений – отливки, сварные соединения, детали после обработки резанием, ковки и т.д. 0 Т отж. стали < 727 С 0 Т отж. латуни – 250-300 С 76 ОТЖИГ II РОДА Результат отжига 2 рода зависит от фазовых превращений, протекающих при нагреве и охлаждении в твердом состоянии. Полный отжиг – нагрев выше точ0 ки АС3 на 30-50 С, выдержка для полного завершения фазового превращения и медленное охлаждение 0 с печью до ~ 600 С, далее на воздухе. Цель: снижение твердости, повышение пластичности, вязкости, улучшение обрабатываемости резанием, измельчение зерна. Подвергают поковки, прокат, трубы, листы, отливки и т.д. Неполный отжиг – нагрев стали вы0 ше точки АС1 (АСm) на 30-50 С, выдержка, медленное охлаждение. Цель: улучшение обрабатываемости резанием, получение структуры зернистого перлита. Сфероидизация заэвтектоидных сталей (маятниковый отжиг) Изотермический отжиг – нагрев выше А3 (Аm), выдержка, охлаж0 дение быстрое до 620-680 С, выдержка 3-6 час (полный распад аустенита), охлаждение на воздухе. Цель: снижение твердости, улучшение обрабатываемости резанием. Подвергают штамповки, поковки, заготовки инструмента, детали после цементации. 77 НОРМ АЛИЗАЦИЯ Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, поковке или штамповке. Нагрев под нормализацию – доэвтектоидные стали выше АС3 , заэвтектоидные стали – выше АСm на 30-500 С выдержка для прогрева и завершения фазовых превращений и охлаждение на воздухе. Цель: для низкоуглеродистых сталей вместо отжига, для отливок из среднеуглеродистой стали вместо закалки и высокого отпуска (снижение деформации изделия при термообработке), устранения цементитной сетки заэвтектоидных сталей, исправление структуры после предварительных технологических операций. Схема нормализации доэвтектоидной стали и диаграмма изотермического распада аустенита углеродистой стали 1 – охлаждение при отжиге; 2 – охлаждение при нормализации. 78 ЗАКАЛКА С ПОЛИМОРФНЫМ ПРЕВРАЩЕНИЕМ ЗАКАЛКА Цель закалки стали – получение высокой твердости (структуры мартенсит) и прочности, закалка, не окончательная термическая обработка. Нагрев под закалку на 30-500 С выше критических точек АС3 и АС1 . Скорость охлаждения выше критической Vкр. Vкр. для углеродистых сталей 4000 1400 /с. Для легированных 100 150 /с. Охлаждающие среды – вода Н2 О, технические масла, 10 % водный раствор NaOH или NaCl, расплавы солей, водные растворы полимеров. Основное требование – быстрое охлаждение в области температур наименьшей устойчивости аустенита и медленное в области температур мартенситного превращения. 79 Режим охлаждения должны быть таким, чтобы не возникали высокие закалочные (внутренние) напряжения, которые могут привести к изменению формы изделия и образованию трещин. Внутренние напряжения ( + - растягивающие, - - сжимающие) Тепловые (термические) – возникают из-за разницы температур по сечению детали при нагреве или охлаждении, а так же при уменьшении удельного объема при охлаждении. Разная величина термического сжатия внутренних и наружных слоев изделия в период охлаждения приводит к образованию на поверхности остаточных напряжений сжатия, а в середине – растяжения. Это приводит к короблению (изменению формы) изделия. Д – диаметр сечения детали. Структурные (фазовые) напряжения – возникают при закалке из-за неравномерности протекания мартенситного превращения в разных точках сечения изделия. Мартенситное превращение связано с увеличением удельного объема. Чем выше температура закалки и скорость охлаждения в мартенситном интервале Мн-Мк, тем выше уровень фазовых напряжений и опасность образования трещин. Д – диаметр сечения детали. При з акалке воз никают одновременно и тепловые и фаз овые напряжения, которые с уммируютс я (σ т е п л >σ с т р ). Суммарные напряжения 80 С целью снижения остаточных напряжений и уменьшения скорости охлаждения в интервале Мн-Мк применяют разные способы закалки. СПОСОБЫ ЗАКАЛКИ а – закалка в одном охладителе (непрерывная). Применяется для закалки мелких деталей (до 5 мм) из углеродистой стали и большого сечения из легированной стали. b - прерывистая закалка (в двух средах) – изделие быстро охлаждают в одной среде (например в воде), а затем медленно в другой (масло). Медленное охлаждение проходит в мартенситном интервале температур. Применяют для закалки инструментальных сталей. с – ст упенчат ая закалка – охлаждение в с реде, нагретой до температуры 180-200 0 С, выдержка при этой температуре (t 0 > Мн) и охлаждение на воз духе. Снижение вс ех видов напряжений. Применяют для из делий, с клонных к короблению. d - изот ерм ическая закалка – проводитс я подобно с тупенчатой закалке, длительнос ть с тупеньки должна быть такой, чтобы з акончился рас пад аус тенита с образ ованием нижнего бейнита. Применяетс я для повышения конс труктивной прочнос ти легированных с талей. Закалка с сам оот пуском – охлаждение прерывают, когда 0 0 t с е р е д > t п о ве р х > Мн. Отпус к з а с чет выравнивания температуры по с ечению от нагретой середины к поверхнос ти. Применяют для обработки ударного инструмента (керны, зубила, молотки и т.д.). 81 Свойства стали после закалки зависят от закаливаемости и прокаливаемости стали. Закаливаемость – способность стали повышать твердость при закалке (образовывать в структуре мартенсит). Закаливаемость зависит от содержания углерода в стали. Прокаливаемость – глубина закаленной зоны со структурой мартенсита или троостомартенсита. Прокаливаемость зависит от критической скорости охлаждения стали, которая зависит от ее состава. а – нагрев выше АС3 ; б – нагрев выше АС1 ; в – твердость мартенсита. Vкр1 > скорости охлаждения сечения, сквозная прокаливаемость.; Vкр2 – а – глубина прокаливаемости; Vкр3 – б – глубина прокаливаемости. Характеристики прокаливаемости – критический диаметр Дкр – наибольший размер цилиндра из данной стали, который после закалки имеет структуру мартенсит по всему сечению (Д99,9) (чем меньше Vкр, тем выше прокаливаемость). Дкр зависит от Vкр и охлаждающей среды. Допускается полумартенситная структура (50 % мартенсита и 50 % троостита в центре образца (Д50). 82 Т.к. состав стали одной и той же марки, размер зерна, форма изделия и др. могут меняться в широких пределах, прокаливаемость каждой стали характеризуют полосой (а не кривой) прокаливаемости (max и min Д кр ). Полоса прокаливаемости для разных сталей Наглядно видно влияние легирования на прокаливаемость. Глубина прокаливаемости определяет свойства стали после термической обработки (закалка и высокий отпуск). Несквозная прокаливаемость Сквозная прокаливаемость В сердцевине наблюдается небольшое снижение твердости, предела прочности и значительное снижение вязкости и предела текучести. По всему сечению структура сорбит отпуска, свойства одинаковы. Закалка не является окончательной обработкой, после нее необходимо провести отпуск. 83 ОТПУСК ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ Эта обработка проводится после закалки с полиморфным превращением и является окончательной операцией термической обработки стали. Цель отпуска – снятие закалочных напряжений и придание стали заданных свойств прочности, твердости и пластичности. ВИДЫ ОТПУСКА Высокий отпуск – 500-6800 С, τ - 1,6 час. Структура – сорбит отпуска. Отпуск дает наилучшее сочетание свойств прочности, пластичности и вязкости, полное снятие закалочных напряжений. Закалка с высоназывается ким отпуском улучшение, наилучшие результаты обработки получаются при сквозной прокаливаемости. Применение: изделия из среднеуглеродистых сталей (0,3 – 0,5%С). Низкий отпуск - температура 0 нагрева < 250 С, выдержка до 2,5 час. Охлаждение на воздухе (мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска). Мз → Мот Снимаются закалочные макронапряжения. Повышается вязкость, твердость практически не снижается. Применение: инструментальные стали для режущего и измерительного инструмента, стали после ХТО. Средний отпуск – температура нагрева 350 – 5000 С, время выдержки зависит от размеров изделия, охлаждение в воде. Охлаждение в воде с температуры отпуска создает сжимающие напряжения на поверхности изделия, что приводит к повышению предела выносливости σ -1 . Структура троостит отпуска обеспечивает высокий предел упругости и выносливости, релаксационную стойкость. Применение: для рессорно-пружинных сталей, штамповых сталей. 84 ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА Цель обработки – сочетание высокой твердости и прочности поверхностного слоя изделия и вязкой сердцевины. В аустенитное состояние переводится только поверхностный слой заданной толщины, поэтому нагрев должен быть очень быстрым. Поверхностная закалка током высокой частоты – закалка ТВЧ – нагрев детали в индукторе, частота -3 -5 тока 10 – 10 Гц, индуцируется ток в поверхностный слой детали. Скорость нагрева на 2-4 порядка выше, чем в печи. Охлаждение через душевое устройство (спрейер) сразу после нагрева. 1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – магнитные силовые линии Глубина закаленного слоя у = 4,46⋅ 105 ρ / µ f f – частота тока, µ - магнитная проницаемость, ρ - удельное электросопротивление. Преимущества: выше твердость, мельче зерно, сокращается длительность обработки, уменьшается коробление, легко применить при серийном автоматизированном производстве. Применение: для деталей, работающих на износ (среднеуглеродистые стали). Закалка при нагреве лазером – основана на трансформации световой энергии лазера в тепловую. Ско-3 рость нагрева очень высокая – 10 – -7 10 с до Т пл . Охлаждение за счет теплоотвода вглубь металла, т.е. не требуется закалочная среда; формируется очень мелкое зерно, остаются нерастворенные дисперсные карбиды. В результате закалки лазером растет σ в, предел контактной выносливости – на 60 – 70 %. Нет окисления поверхности. Применяют для изделий сложной формы из сталей 35, 40, 40Х, ШХ15, 40Х12 и др., а также чугуна. Для поверхностной закалки крупногабаритных деталей – прокатные валки, крупные шестерни, червяки – закалка с нагревом пламенем газовой горелки. Газокислородное пламя 0 0 с Т 2000-3000 С направляется на поверхность и разогревает слой в 2-4 мм 0 до Т > АС3 охлаждение водой из охлаждающей части горелки. Недостаток – возможен перегрев. 85 ЗАКАЛКА БЕЗ ПОЛИМОРФНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ Эта термическая обработка, фиксирующая при комнатной температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре. При этом подавляются диффузионные процессы, приводящие к выделению второй фазы. 0 Т нагрева (Т зак.) должна обеспечивать растворение кристаллов второй фазы. Vохл. – подавление процесса выделения вторичных кристаллов. аbd – температура нагрева под закалку (ниже линии солидуса); охлаждение, чаще всего в воде. В структуре образуется пересыщенный вторым компонентом (Cu) α - твердый раствор за счет фиксирования высокотемпературного состояния сплава с максимальной растворимостью (Cu) в α-растворе (растворимость В(Cu) в А(Al) при Т ком определяется точкой С и составляет 0,2 %). Цель обработки: подготовка сплава к упрочняющей обработке – старению. Этот вид обработки рекомендуется сплавам на основе алюминия, меди, цинка, также аустенитным сталям. После закалки без полиморфного превращения обязательно проводится термическая обработка – старение. 86 СТАРЕНИЕ Старение – это термическая обработка, при которой в сплаве, подвергнутом закалке без полиморфного превращения, главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора. Эта термообработка приводит к изменению свойств сплава за счет уменьшения концентрации пересыщенного компонента в твердом растворе и выделения упрочняющих фаз. Процесс естественного старения проходит при комнатной температуре, ис0 куственного – при нагреве до 150-250 С. Нагрев увеличивает скорость диффузии, распад пересыщенного твердого раствора проходит быстрее и полнее. Процесс старения протекает в несколько стадий (сплавы на основе Аl, Mg, Zn, Ni, Fe). Образование зон Гинье-Престона (ГП) – образование в пересыщенном твердом растворе участков, обогащенных вторым компонентом. Размеры этих зон субмикроскопические, сохраняется решетка растворителя, имеют форму дисков или вытянутых пластин. Зоны ГП 1 – диаметр 30-60 A& (3-6 нм), толщина несколько атомных слоев (5 – 10 A& ). Зоны ГП 2 – укрупненные до диаметра 200-300 A& (20-30 нм) и толщиной 10-40 A& (1-4 нм) зоны ГП1. Выделение метастабильной фазы (промежуточной). На базе зон ГП2 выделяется фаза с кристаллической решеткой, отличной от αраствора и некогерентной границей (II фаза). Выделение стабильной фазы с кристаллической решеткой, отличной от αраствора и некогерентной границей (II фаза). Зоны ГП и выделения второй фазы тормозят движение дислокации через кристалл, что приводит к упрочнению сплава. Выделения II фазы склонны к укрупнению – процесс коагуляции или коалесценции. При этом прочность падает. 87 ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ТМО) Термомеханическая обработка заключается в сочетании пластической деформации стали и термической обработки (закалки и отпуска). Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) – нагрев стали до температуры аустенитного состояния (выше АС3 ), деформация при этой температуре (наклеп аустенита) и немедленная закалка с низким отпуском. Структура после обработки – мелкокристаллический мартенсит отпуска. ВТМО обеспечивает рост прочности с одновременным повышением вязкости разрушения, понижения порога хладноломкости при хорошей пластичности. Высокие механические свойства объясняются большой плотностью дислокаций в мартенсите, дроблением его кристаллов на отдельные субзерна. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) – переохлаж0 0 денный до Т 600-400 аустенит деформируется (ε = 75-90 %), наклепывается, после чего – низкий отпуск. Структура пос ле обработки – мартенс ит отпус ка с повышенной плотнос тью дис локаций. НТ МО обес печивает выс окую прочнос ть, но с нижение плас тичнос ти, т. к. деформация проводитс я при температурах ниже температуры рекрис таллиз ации, что ограничивает облас ть применения НТ МО). 88 ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ 1. Что такое термическая обработка, какими параметрами можно ее охарактеризовать (режим термической обработки)? 2. Что такое отжиг I рода, с какой целью проводится эта обработка? 3. Что такое отжиг II рода, цель обработки, для каких материалов может быть проведен отжиг II рода? 4. Какое влияние оказывает отжиг на пластичность и вязкость стали? 5. Как изменяется структура после полного и неполного отжига? 6. Какой отжиг применяется для доэвтектоидных сталей? 7. С какой целью проводится изотермический отжиг, чем отличается структура стали У8 после обычного и изотермического отжига? 8. Что такое нормализация и в каких случаях можно рекомендовать этот вид обработки? 9. В чем отличие структуры стали 45 после отжига и нормализации, как это различие влияет на свойства? 10. Установите температуры нагрева под полный отжиг и нормализацию для сталей 40, У12, У8. 11. Что такое закалка стали и с какой целью она проводится? 12. Что такое закаливаемость стали, от чего зависит закаливаемость? 13. Что такое полная и неполная закалка? Для каких целей проводятся эти виды закалки? 14. С какой скоростью надо охлаждать изделия при закалке? Что можно использовать в виде охлаждающей среды? 15. Что такое прокаливаемость стали и от чего она зависит? Характеристики прокаливаемости. 16. Какие виды (способы) закалки вы знаете, с какой целью их применяют на практике? 17. В чем отличие изотермической и ступенчатой закалки. Каковы преимущества каждого вида обработки? 18. Что такое остаточные напряжения при термической обработке, какие виды напряжений вы знаете? 19. Что называется отпуском, цель этого вида обработки? 20. Какие виды отпуска вы знаете? 21. Какая структура отпущенной стали обеспечивает получение максимальной пластичности и вязкости в сочетании с хорошей прочностью? 22. Что такое улучшение? 23. Чем отличается структура сорбит отпуска от сорбита, полученного при нормализации, как это отличие влияет на свойства? 24. Что такое закалка без полиморфного превращения, для чего проводят этот вид обработки? 25. Как выбрать температуру нагрева под закалку без полиморфного превращения? 26. Что такое старение сплавов? 27. Что такое зоны Гинье-Престона и как их появление влияет на механические свойства? 28. Что такое естественное и искуственное старение? 29. Как провести закалку поверхностного слоя изделия? 89 30. Какие стали можно закалить током высокой частоты? 31. Чем регулируется глубина закаленного слоя при закалке ТВЧ? 32. Какие особенности закалки при нагреве лазером? 33. Для чего применяют закалку при нагреве лазером? 34. Для чего применяется газопламенная закалка? Достоинства и недостатки процесса. 35. Что такое термомеханическая обработка? 36. Что такое ВТМО, почему свойства стали после этой обработки выше, чем после закалки? 37. Что такое НТМО, для чего применяют этот процесс? Каковы технологические трудности проведения этого процесса? Задача № 1 Образцы из стали 40 были подвергнуты полной и неполной закалке. При этом получили разную твердость. Чем объяснить это явление? Задача № 2 Термической обработке – закалке подвергаются детали, у которых недопустимо образование даже микроскопических закалочных трещин в поверхностном слое. Какой режим охлаждения необходимо дать этой детали и почему он содействуют предотвращению образования трещин? Задача № 3 На завод поступили заготовки из стали с 1,2 %С, имеющие структуру зернистого перлита. Эту сталь предусмотрено использовать для режущего инструмента – фрез. Какой вид обработки надо дать этой стали для получения рабочей структуры Мот + К? Задача № 4 0 Вал переменного сечения из стали был нагрет на температуру АС3 + 50 и закален в масло. В разных сечениях вала твердость оказалась разная, в сечении > 100 мм она была ниже, чем в меньших сечениях. Объясните причину этого явления. Задача № 5 Стали 35 и У8 после закалки в воде имели различную твердость. Чем можно объяснить это явление? Задача № 6 Для стальных деталей закалка в масло заменена изотермической закалкой. Как изменится структура и свойства сталей после такой обработки? Задача № 7 Стальной лист после пластического деформирования имеет высокую твердость, низкую пластичность, что затрудняет его дальнейший технологический передел. Какую обработку следует рекомендовать для повышения пластичности? 90 Задача № 8 С помощью диаграммы состояния Fe-Fe3 C определите температуры полного и неполного отжига, а также нормализации для сталей 20, 60, У12. Охарактеризуйте микроструктуру и свойства каждой стали после этих видов термической обработки. Задача № 9 0 Слитки стали были нагреты на температуру 1150 С с длительной выдержкой, а потом были медленно охлаждены на воздухе. Какой вид обработки был дан отливкам, с какой целью и какая структура при этом образовалась? Задача № 10 Необходимо улучшить обрабатываемость резанием инструментальной стали У9. Какую обработку надо дать заготовке из этой стали и почему эта обработка улучшит режущие свойства стали У9? Задача № 11 После отливки в изложницу сталь имела ярко выраженную дендритную ликвацию, что могло бы отрицательно сказаться на ее свойствах после пластической деформации слитка. Какую обработку необходимо дать слитку для устранения подобного явления и что является причиной устранения ликвации? Задача № 12 После обработки резанием поверхность детали получила значительный наклеп за счет давления резца на ее поверхность. Появление наклепанного слоя может привести к дефектам на поверхности детали. Каким способом можно устранить это явление, какие процессы, проходящие при этом в стали, способствуют этому? Задача № 13 Выберите температуру закалки для сплавов I, II, III. Укажите состав сплавов, у которых при старении будет выделяться максимальное количество упрочняющих фаз. 91 Задача № 14 В сплаве на основе алюминия в процессе естественного старения снизилась пластичность. Что является причиной этого, как повысить пластичность снова? Задача № 15 После определенного времени выдержки при искусственном старении прочность сплава Д16 на основе Аl стала снижаться. Что является причиной данного явления? Задача № 16 Поверхностная закалка с использованием нагрева ТВЧ позволяет намного повысить усталостную прочность изделия из стали 45. Что является причиной этого? Задача № 17 Нагрев под закалку токами высокой частоты проводится до температур 0 1100-1150 С, однако при этом не наблюдается потери вязкости, как при печном нагреве под закалку до этих же температур. Что является причиной этого явления? Задача № 18 Необходимо упрочнить поверхности крупных прокатных валков. Какой вид обработки надо применить и почему? Задача № 19 Необходимо повысить твердость и износостойкость внутреннего отверстия в детали сложной формы. Какой вид термической обработки надо рекомендовать в этом случае и почему? Задача № 20 Кольцо подшипника из стали ШХ15СТ изготавливают путем раскатки за0 готовки при температуре 1000 С. Как будут отличаться механические свойства, если закалку провести сразу после пластического деформирования (раскатки), а не после охлаждения на воздухе и повторной закалки по обычному режиму? 92 ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ХТО) При химико-термической обработке повышение свойств поверхности изделия достигается изменением химического состава и структуры поверхностных слоев при нагреве в активных средах. При ХТО одновременно протекают несколько процессов. Образование активных атомов насыщающего элемента за счет диссоциации насыщающей среды (твердой, жидкой, газообразной). Например, диссоциация аммиака: 2NH3 → 3Н2 + 2Nатом. Адсорбция (поглощение поверхностью) активных атомов, образование связей между ионами насыщающего элемента и основного металла (хемосорбция). Д иффуз ия адсорбированных атомов вглубь металла с образованием диффуз ионного с лоя. Т олщина образ овавшегос я с лоя d 0 з авис ит от рас творимос ти нас ыщающего элемента в материале, температуры нагрева и времени выдержки (а, б) при этой температуре, а также концентрации атомов нас ыщающего элемента на поверхнос ти (в). а б в Под общей толщиной диффуз ионного с лоя понимают кратчайшее рас с тояние от поверхнос ти нас ыщения до с лоя с о с труктурой с ердцевины из делия. Эффективная толщина с лоя – рас с тояние от поверхнос ти до учас тка с лоя с з аданными параметрами (концентрация, твердос ть или другие характерис тики). 93 Структура диффузионного слоя образуется в той же последовательности, что однофазные области на двойной диаграмме Ме – насыщающий элемент при данной температуре. При переходе от одной фазы к другой отмечается скачок концентраций. Компонент А насыщается компонентом В при температуре t1 . Области диаграммы cd и ab – переходные, где в равновесии находятся две фазы, имеющие состав, определяемый точками а (α-фаза) и b (γ-фаза), с (γфаза) и d (β-фаза), концентрация компонента В в слое меняется скачком. В структуре слоя нет переходных зон, только однофазные области. ХТО повышает твердость, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость, увеличивает надежность и долговечность изделия. 94 ЦЕМЕНТАЦИЯ Цементацией называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхности стали углеродом при нагреве в соответствующей среде – карбюризаторе. Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали (0,10,35 %С). В зависимости от применяемого карбюризатора различают два вида обработки – насыщение в твердой жидкой среде. Цементация в твердом карбюризаторе насыщающая среда – древесный уголь или торфяной кокс с добавками активизаторов процесса – BaCO3 и Na2 CO3 (CaCO3 ). Процесс проводят в ящиках, детали упакованы в карбюризаторе. Температура процес0 са – 910-930 С; время выдержки τ - в зависимости от размера ящика – до 14 час. Охлаждение на воздухе. Реакции при насыщении: 2С + О2 → 2СО 2СО → СО2 + Сат Сат → Feγ → Feγ (С) активизатор: ВаСО3 + С → ВаО + 2СО. Используют в мелкосерийном производстве. Цементация в газовом карбюризаторе – нагрев в среде газов, содержащих углерод. Карбюризатор – природный газ, состоящий в основном из метана, а также керосин и бензин, каплями подающиеся в печь, получаемые в специальных генераторах контролируемые атмосферы. Реакции при насыщении: СН4 → 2Н2 + Сат 2СО → СО2 + Сат Сат → Feγ → Feγ (С) 0 Температура процесса – 910-930 С; Время выдержки τ - 6-12 час. Толщина слоя 0,1 – 0,7 мм. Преимущества газовой цементации: 1. Возможность автоматизации и механизации процесса; 2. Возможность поддерживать заданное количество углерода (углеродный потенциал) в среде, а следовательно, в слое. 3. Ускорение процесса за счет проведения последующей термической обработки непосредственно после цементационного нагрева. 4. Ввиду меньшей продолжительности процесса рост зерна меньше, структура дисперснее. Процесс газовой цементации используют в массовом производстве. После процесса цементации обязательно проводится термическая обработка для получения заданных свойств цементованного слоя и сердцевины изделия. 95 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЦЕМЕНТОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ (ц – цементация, з – закалка, о – отпуск). Для деталей из наследственномелкозернистых сталей, у которых требуется только высокая твердость поверхности, закалка проводится непосредственно с температуры цементации или с подстуживанием. Далее - низкий отпуск. Для деталей из наследственнокрупнозернистых сталей при повышенных требованиях к структуре и свойствам детали. После цементации – охлаждение на воздухе, за0 тем закалка от 850-900 С и низкий отпуск. Закалка с повторного нагреве проводится для устранения перегрева. Ос обо выс окие требования к с войс твам пос ле термообработки. Д войная з акалка для из мельчения с труктуры с лоя (II) и с труктуры с ердцевины (I) пос ледующий низ кий отпус к. Структура цементованного изделия после термической обработки – поверхностный слой имеет структуру мартенсит отпуска с включениями глобулярных карбидов; сердцевина, в зависимости от состава стали, может иметь структуру сорбита, троостита или даже низкоуглеродистого мартенсита. Твердость поверхности НRC 58 - 62, сердцевины – HRC 38 – 42. 96 АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛИ Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхности стали азотом. Цель азотирования – повышение износостойкости, твердости, предела выносливости, коррозионной стойкости. Твердость азотированного слоя HV 1000-1200. Твердость сохраняется при работе до 0 500-600 С. Азотированию подвергаются углеродистые и легированные стали. Содержание углерода ≈ 0,4 %С, легирование Al, Mo, V, Ti, Cr, Mn, образующими нитриды. Образование азотированного слоя приводит к увеличению удельного объема и возникновению остаточных сжимающих напряжений, повышающих σ -1 . Азотирование проводят в герметических камерах, куда с определенной 0 скоростью подается аммиак. Температура азотирования 500-650 С. При этой температуре аммиак диссоциирует: 2NH3 → 6H + 2Nатом Атомарный азот адсорбирует на поверхность детали и диффундирует в металл. А зотирован ие – окончательная обработка из делия, перед аз отированием проводят з акалку с выс оким отпус ком для упрочнения с ердцевины из делия (с труктура с орбит отпус ка) и механичес кую обработку для получения окончательных раз меров детали (аз отирование для повышения прочнос тных характерис тик). 97 СТРУКТУРА АЗОТИРОВАННОГО СЛОЯ Структура азотированного слоя определяется диаграммой Fe-N. Система железо-углерод 0 Из диаграммы видно, что если процесс вести при 550 С, возможно образование следующих фаз в слое: ξ - промежуточная фаза нитрид Fe2 N переменного состава; γ' – нитрид Fe4 N переменного состава; α - азотистый феррит. Толщина слоя зависит от температуры и времени выдержки. Чем выше Т 0 , тем меньше времени требуется для получения заданной глубины слоя. Для ускорения процесса иногда проводят двухступенчатое азотирование: 0 0 при 500-520 С, затем при 540-560 С. Охлаждение с печью в потоке аммиака. 98 РАЗНОВИДНОСТИ ПРОЦЕССА АЗОТИРОВАНИЯ Ионное азотирование (в тлеющем разряде) – между катодом (деталью) и анодом (контейнер установки) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа и ионы азота, бомбардируя поверхность 0 катода, нагревают до Т насыщения. Преимущество – ускорение процесса (1 – 24) при темпера0 туре 470 – 580 С и давлении 2 2 1,3⋅10 - 13⋅10 Па. Азотирование в жидких средах (тенифер – процесс) – проводят при 0 570 в жидкой среде – 40% КСNO и 60 % NaCN + 15 % (NH2 )2 CO3 и 45 % Na2 CO3 . Соли расплавляют в тигле из титана; общая толщина слоя 150 – 500 мкм. незнаПреимущество: чительное изменение размеров детали, отсутствие коробления. Азотирование с добавками углесодержащих газов (углеродоазотирование) проводится при 5700 С, в течение 1,5 – 3 ч в атмосфере аммиака и пропана (метана). На поверхности образуется карбонитридный слой Fe2-3 (N, C), обладающий меньшей хрупкостью, чем ε-фаза. Значительно повышается предел выносливости. Азотированию подвергают цилиндры двигателей, шестерни, втулки, копиры станков, матрицы, пуансоны штампов, детали для повышения коррозионной стойкости, коленчатые валы, пресс-формы. 99 НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ (цианирование) Нитроцементация (цианирование) – одновременное насыщение поверхности стального изделия азотом и углеродом. Нитроцементация – ос ущес тв ляетс я в газ овой с реде – с мес ь науглераживающего газ а и аммиака при температуре 830870 0 С. Пос ле нитроцементации проводитс я з акалка и низ кий отпус к при 150 – 180 0 С. Поверхнос тная твердос ть – HRC 56-62. Структура поверхнос ти – М м е л ко кр + карбонитриды + Ао с т . Т олщина с лоя – 0, 2 – 0, 8 мм. Применяетс я вмес то газ овой цементации, имеет преимущес тва: более низ кая температура процес с а, мельче з ерно, меньше коробление, выше с опротивление из нос у, но с тоимос ть процес с а выше. Обычно процес с рекомендуют для деталей с ложной конфигурации, которые с клонны к короблению. Цианирование – проводят в рас плавленных с олях, с одержащих группу СN при Т 0 820950 0 С. Соли NaCN, NaCl, BaCl2 . Ba(CN)2 + NaCN→2NaCl + Ba(CN)2 Ba(CN)2 →BaСN2 + Cат. BaCN2 →BaO + CO + 2Nат. Т ребует меньше времени нас ыщения. Пос ле цианирования - з акалка с низ ким отпус ком. Низ котемпературное цианирование: проводитс я при 570 0 С, выдержка до 3 час ов . Преимущес твенное нас ыщение поверхнос ти аз отом из -з а невыс окой температуры процес с а. Применяетс я для инс трумента из быс трорежущих и штамповых с талей для повышения из нос ос тойкос ти. Недос татком цианирования являетс я токс ичнос ть процес с а, что требует принятия с пециальных мер з ащиты. 100 ДРУГИЕ ВИДЫ ХТО СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ Борирование – насыщение поверхностного слоя деталей бором. Слой состоит из боридов FeB и Fe2 B, толщина слоя 0,1 – 0,2 мм. Процесс проводят в газовой среде, расплавленных солях или электролизом Буры Na2 B4 O7 . Температура 0 850-950 С, время выдержки – 2-6 часов. При борировании повышается износостойкость (до 10 раз), окалиностойкость, теплостойкость, коррозионная стойкость. Применяют для деталей, работающих на износ, штампов, деталей пресс-форм и машин литья под давлением. Диффузионное насыщение металлами (металлизация). Цель обработки – повышение коррозионной стойкости, жаростойкости деталей машин. Насыщение металлами – Al, Cr, Zn. Диффузионная металлизация может проводиться в твердых, жидких или газообразных средах при повышенных температурах. ВИДЫ ДИФФУЗИОННОЙ М ЕТАЛЛИЗАЦИИ Алитирование – насыщение поверхности алюминием, проводится при температуре 0 800-1000 С. Структура слоя - α-твердый раствор А в Fe(α) и слой Аl2 O3 . Толщина слоя 0,2 – 0,5 мм. Главная цель – повышение коррозионной стойкости. Силицирование – насыщение поверхности Si. Структура слоя - α-твердый раствор Si в Feα. Толщина слоя 0,3 –0,5 мм. Повышение коррозионной стойкости. Хромирование – насыщение поверхности хромом. Структура слоя - α-твердый раствор и карбиды (Fe, Cr)7 C3 , (Fe, Cr)23 C6 . Толщина слоя 0,1 – 0,2 мм. Повышение коррозионной стойкости, износостойкости. Цинкование – насыщение поверхности цинком. Применяется для повышения коррозионной стойкости полуфабрикатов и специальных деталей холодильников, компрессоров и др. 101 ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ 1. Что такое химико-термическая обработка и для чего она проводится? Виды ХТО. 2. Какие основные процессы протекают при проведении ХТО? 3. От чего зависит глубина образующегося диффузионного слоя? 4. Что называется цементацией, какие виды цементации вы знаете? 5. Какую термическую обработку проводят после цементации и зачем? 6. Что такое азотирование стали? Какие цели преследуют, подвергая сталь этой обработке? 7. Что такое цианирование и нитроцементация, чем отличаются эти обработки? 8. Какие виды диффузионного насыщения металлами вы знаете, для чего проводят эти процессы? 9. Какие виды азотирования вы знаете, в чем их преимущества перед обычным процессом? Задача № 1 Как меняется структура цементованного слоя от поверхности вглубь изделия, если концентрация углерода на поверхности 1,2 % (используйте диаграмму Fe-Fe3 C)? Задача № 2 Шестерне из стали с содержанием углерода 0,2 % необходимо обеспечить высокую твердость и износостойкость поверхности при достаточно вязкой сердцевине. Назначьте вид, режимы термообработки, которая поможет решить эту задачу. Задача № 3 Какому виду ХТО необходимо подвергнуть деталь для придания ей высокой коррозионной стойкости в морской воде? Задача № 4 Какой способ обработки ХТО рационально использовать для повышения окалиностойкости чугунных колосников топок котлов? 102 15. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ю.М. Лахтин. Материаловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1990. 2. Мозберг Р.К., Материаловедение. Таллин: Валгус, 1991. 3. Научные основы материаловедения./Б.Н. Арзамасов, А.И. Крашенников и др./ М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 1994. 4. Е.К. Белова. Материаловедение в логических конспектах. Киев: УМК ВО, 1990. 103
