Формоизменение поликристаллического тела при обработке давлением – более сложный процесс. Пластическая деформация происходит в каждом из зерен, которые различно ориентированы по отношению друг к другу и к деформирующей нагрузке, различны по форме и размерам и обладают неодинаковыми физико-механическими свойствами. Кроме того, при пластической деформации поликристаллов большую роль играют межкристаллитные прослойки – границы зерен (рис. 4.5).
Рис. 3.5. Схема образования текстуры в поликристаллитном теле: а – расположение зерен; б – изменение формы зерен в направлении главной деформации; в - текстура
Различают два вида деформации: внутрикристаллитную (по зерну) и межкристаллитную (по границам зерен).
Внутрикристаллитная деформация осуществляется путем сдвига, скольжения, двойникования, как в монокристалле.
Межкристаллитная деформация осуществляется путем поворота, перемещения одних зерен относительно других.
Оба вида деформации протекают одновременно. Деформация начинается в зернах, плоскости скольжения которых составляют угол 45о с направлением усилия (рис.3.5 а).
При большой деформации в результате процессов скольжения зерна меняют свою форму, вытягиваются в направлении главной деформации (рис. 3.5 б) и образуют волокнистую или слоистую структуру. Такую структуру называют текстурой (рис.3.5 в), приводящей к анизотропии свойств металла.
Металлы с ГЦК - решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК - решеткой.
В результате пластической деформации с ростом плотности дислокаций возрастает предел прочности металла, образуется текстура, возрастают сопротивляемость металла деформации и твердость, уменьшается пластичность и ударная вязкость, повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость.
С увеличением напряжений выше предела прочности возникают магистральные трещины, и материал разрушается по вязкому или хрупкому механизму.
3.2. Методы испытания металлов и сплавов
Для установления комплекса механических свойств металлов образцы из исследуемого материала подвергают статическим и динамическим испытаниям.
Статическими называются испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно.
3.2.1. К статическим испытаниям относят испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, а также определение твердости.
В результате испытаний на статическое растяжение, которое проводят на разрывных машинах, получают диаграмму растяжения (рис.3.6 а) и диаграмму условных напряжений (рис. 4.6 б) пластичного металла.
Рис. 3.6. Изменение деформации в зависимости от напряжения:
а – диаграмма растяжения пластичного материала; б – диаграмма условных напряжений пластичного материала
Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме(рис. 4.6), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.
Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и пластическую деформацию.
Представленная на рис. 3.6 зависимость между приложенным извне напряжением и вызванной им относительной деформацией характеризует механические свойства металлов:
- наклон прямой ОА (рис. 3.6а) показывает жесткость металла или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения; тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е= s / e);
- напряжение sпц (рис. 3.6б), которое называется пределом пропорциональности, соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;
- напряжение sупр (рис. 3.1б), которое называется пределом упругости, и при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями. Часто используют значения остаточной деформации 0,001; 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают s0,005, s0,02 и т. д. Предел упругости – важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих элементов приборов и машин;
- напряжение s0,2, которое называется условным пределом текучести и которому соответствует пластическая деформация 0,2 %. Физический предел текучести sт определяется по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растяжение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение s0,2 несложно определяется при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения. Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают обычно меньше s0,2 в 1,5 раза;
- максимальное напряжение sв, которое называется временным сопротивлением, характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению, и определяется по формуле
sв = Р max / Fo
Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше sв в 2,4 раза.
Пластичность материала характеризуется относительным удлинением d и относительным сужением y:
d = [( lк – lо) / lо] * 100,
y = [( Fо – Fк) / Fо] * 100,
где lо и Fо – начальные длина и площадь поперечного сечения образца;
lк - конечная длина образца;
Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
3.2.2. Твердость – способность материалов сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела, которое называется индентором.
Существует разные методы определения твердости.
Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки при вдавливании стального шарика в испытуемый материал к площади поверхности полученного сферического отпечатка (рис. 4.7а).
HB = 2P / pD [D - Ö D2 – d2],
где Р – нагрузка, кгс;
D – диаметр шарика, мм;
d – диаметр лунки, мм
Рис. 3.7. Схемы испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
Твердость по Роквеллу определяется глубиной проникновения в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120о или закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 3.7.б).
Конус или шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками:
- предварительной Ро = 10 н;
- общей Р = Ро + Р1, где Р1 – основная нагрузка.
Твердость обозначается в условных единицах:
- для шкал А и С HR = 100 – (h – ho) / 0,002
- для шкалы В HR = 130 – (h – hо) / 0,002
Для определения твердости используется алмазный конус при нагрузке 60 Н (HRA), алмазный конус при нагрузке 150 Н (HRC) или стальной шарик диаметром 1,588 мм (HRB).
Твердость по Виккерсу измеряют для деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой.
Эта твердость определяется как отношение нагрузки при вдавливании в испытуемый материал алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136о к площади поверхности полученного пирамидального отпечатка (рис. 4.7.в):
HV = 2P * sin a/2 / d2 = 1,854 P/d2,
где P – нагрузка, кгс;
a = 136о – угол между гранями;
d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей, мм.
Величину HV находят по известному d согласно формуле или по расчетным таблицам согласно ГОСТ 2999-75.
Микротвердость, учитывая структурную неоднородность металла, применяют для измерения малых площадей образца. При этом вдавливают пирамиду как при определении твердости по Виккерсу, при нагрузке Р = 5-500 Н, а среднее арифметическое длин обеих диагоналей (d) измеряется в мкм. Для измерения микротвердости используется металлографический микроскоп.
3.2.3. Сопротивление материала разрушению при динамических нагрузках характеризует ударная вязкость. Её определяют (ГОСТ 9454-78) как удельную работу разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра (рис. 3.8): КС = К / So ( К – работа разрушения; So – площадь поперечного сечения образца в месте концентратора).
Рис. 3.8. Схема испытаний на ударную вязкость
Ударную вязкость (МДж/м2) обозначают KCU, KCV и KCT. Буквы КС означают символ ударной вязкости, буквы U, V, T – вид концентратора: U-образный с радиусом надреза rн = 1 мм, V-образный с rн = 0,25 мм; T – трещина усталости, созданная в основании надреза; KCU – основной критерий ударной вязкости; KCV и KCT используют в специальных случаях.
Работа, затраченная на разрушение образца, определяется по формуле
Ан = Р * l1( cos b - cos a),
где Р - масса маятника, кг;
l1 – расстояние от оси маятника до его центра тяжести;
b - угол после удара;
a - угол до удара
3.2.4. Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжений – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями smax и smin в течение периода Т (рис. 4.9).
Рис. 3.9. Синусоидальный цикл изменения напряжений
Различают симметричные циклы (R = -1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.
Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью (ГОСТ 23207 – 78).
На усталость деталей машин влияют ряд факторов (рис. 4.10).
Рис. 3.10. Факторы, влияющие на усталостную прочность
Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:
- оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке, меньших пределах текучести или временного сопротивления;
- разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды;
- разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение;
- разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Схема излома усталостного разрушения: 1 – очаг зарождения трещины; 2 – зона усталости; 3 – зона долома
3.3. Конструкционная прочность металлов и сплавов
Конструкционная прочность металлов и сплавов – это комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия.
Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкции.
Переход к хрупкому разрушению обусловлен рядом факторов:
- природой сплава (типом решетки, химическим составом, величиной зерна, загрязнением сплава);
- особенностью конструкции (наличием концентраторов напряжений);
- условиями эксплуатации (температурным режимом, наличием нагрузки на металл).
Существует несколько критериев оценки конструкционной прочности металлов и сплавов:
- критерии, определяющие надежность металлов против внезапных разрушений (критическая температура хрупкости; вязкость разрушения; работа, поглощаемая при распространении трещины; живучесть при циклическом нагружении);
- критерии, определяющие долговечность материала (усталостная прочность; контактная выносливость; износостойкость; коррозионная стойкость).
Для оценки надежности материала используют также параметры: 1) ударную вязкость KCV и КCT; 2) температурный порог хладноломкости t 50. Однако эти параметры только качественные, непригодные для расчета на прочность.
Параметром KCV оценивают пригодность материала для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.
Параметр KCT, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Если материал имеет KCT = 0, то это означает, что процесс его разрушения идет без затраты работы. Такой материал хрупок, эксплуатационно ненадежен. И, наоборот, чем больше параметр KCT, определенный при рабочей температуре, тем выше надежность материала в условиях эксплуатации. KCT учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин и т. п.).
Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре.
На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис.4.12), наблюдаемое в интервале температур (tв – tх) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения).
Рис. 3.12. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCV, KCT
Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t > tв) до кристаллического блестящего при хрупком разрушении (t < tх). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tв – tн) либо одной температурой t50, при которой в изломе образца имеется 50 % волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается наполовину.
О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t 50. При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.
3.4. Пути повышения прочности металлов
Принято различать техническую и теоретическую прочность. Техническую прочность определяют значением свойств: предела упругости (s0,05); предела текучести (s0,2); предела прочности (sв); модуля упругости (Е); предела выносливости (sR).
Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смещаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.
Исходя из кристаллического строения и межатомных сил можно ориентировочно определить теоретическую прочность металла по следующей формуле:
tтеор » G / 2p,
где G – модуль сдвига.
Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100 – 1000 раз больше технической прочности. Это связано с дефектами в кристаллическом строении, и прежде всего с существованием дислокаций. Прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций (рис. 4.13).
Рис. 3.13. Схема зависимости сопротивления деформации от плотности и других дефектов в металлах:1 – теоретическая прочность; 2-4 – техническая прочность (2 – усы; 3 – чистые неупрочненные металлы; 4 –сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической или термомеханической обработкой)
Как видно из рисунка 4.13, минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций а, приближенно составляющей 106 – 108 см-2. Эта величина относится к отожженным металлам. Величина s0,2 отожженных металлов составляет 10-5 – 10-4 G. Если а > 1012 – 1013 см-2, то в этом случае могут образоваться трещины.
Если плотность дислокаций (количество дефектов) меньше величины а (рис.4.13), то сопротивление деформации резко увеличивается и прочность быстро приближается к теоретической.
Повышение прочности достигается:
- созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой, т. е. получение нитевидных кристаллов («усов»);
- повышение плотности дефектов, в том числе дислокаций, а также структурных препятствий, затрудняющих движение дислокаций;
- создание композиционных материалов.
3.5. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизация)
Пластическая деформация (рис. 4.14) приводит к созданию неустойчивого состояния материала из-за возросшей внутренней энергии (внутренних напряжений). Деформирование металла сопровождается его упрочнением или так называемым наклепом. Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.
Рис. 3.14. Влияние нагрева на механические свойства и структуру нагартованного металла
К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки, другие внутризеренные процессы и образование новых зерен. Для снятия напряжений кристаллической решетки не требуется высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300 –400 оС) снимает искажения решетки, а именно уменьшает плотность дислокаций в результате их взаимного уничтожения, слияния блоков, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т. д.
Исправление искаженной решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом или отдыхом. При этом твердость металла снижается на 20-30 % по сравнению с исходным, а пластичность возрастает.
Параллельно с возвратом при температуре 0,25 – 0,3 Тпл происходит полигонизация (сбор дислокаций в стенки) и образуется ячеистая структура.
Одним из способов снятия внутренних напряжений при деформации материалов является рекристаллизация. Рекристаллизация, т. е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Между температурами рекристаллизации и плавления существует связь:
Трек = а * Тпл,
где а – коэффициент, зависящий от чистоты металла.
Для технически чистых металлов а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,8.
Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т. п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.
Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:
- первичную рекристаллизацию или рекристаллизацию обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;
- вторичную или собирательную рекристаллизацию, заключающуюся в росте зерен и протекающую при более высокой температуре.
Первичная кристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходят внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.
К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из очень мелких зерен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной кристаллизации, заключающийся в росте зерна.
Возможны три существенно различных механизма роста зерна:
- зародышевый, состоящий в том, что после первичной кристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, их рост приводит к образованию новых зерен, но их меньше, чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса рекристаллизации зерна в среднем станут крупнее;
- миграционный, состоящий в перемещении границы зерна и увеличении его размеров. Крупные зерна растут за счет «поедания» мелких;
- слияние зерен, состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное. При этом образуется разнозернистая структура с низкими механическими свойствами.
Реализация одного из основных механизмов роста зависит:
- от температуры. При низких температурах рост идет за счет слияния зерен, при высоких – за счет миграции границ зерен;
- от исходного состояния ( от степени деформации). При малой степени деформации (3-8%) первичная рекристаллизация затруднена, и рост зерна идет за счет слияния зерен. В конце процесса образуются гигантские зерна. При большой степени деформации (более 10 %) слияние зерен затрудняется, и рост идет за счет миграции границ зерен. Образуются более мелкие зерна. Таким образом, после отжига получается равновесная структура, изменяются механические свойства, снимается наклеп металла, повышается пластичность.
4 АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ «ЖЕЛЕЗО - УГЛЕРОД»
Компоненты системы – железо Fe и углерод С (рис. 7.1).
Рис. 4.1. Диаграмма состояния «Железо – карбид железа» (Fe – Fe3C)
Особенности диаграммы определяются полиморфизмом железа и углерода, а также ферромагнетизмом железа:
- от 1539 – 1392 оС железо имеет решетку ОЦК, такая модификация железа называется d (Fe);
- от 1392 – 911 оС железо имеет решетку ГЦК, такая модификация железа называется g(Fe);
- ниже 911 оС железо имеет решетку ОЦК, такая модификация называется a(Fe);
- при температуре 768 оС железо теряет магнитные свойства, и эта температура называется точкой Кюри.
В каждой модификации железа растворяется строго определенное количество углерода с образованием твердых растворов внедрения:
- d - феррит – раствор углерода в d(Fe) с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в d(Fe) составляет 0,1 % при температуре 1499 оС;
- аустенит – твердый раствор углерода в g(Fe) с ГЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в g(Fe) составляет 2,14 % при температуре 1147 оС;
- a - феррит – твердый раствор углерода в a(Fe) с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в a(Fe) составляет 0,025 % при температуре 727 оС.
Кроме указанных выше твердых растворов в системе Fe – С образуются две высокоуглеродистые фазы:
- цементит – химическое соединение Fe3С со сложной орторомбической решеткой, которое содержит 6,67 % углерода и имеет температуру плавления Тпл = 1260 оС. Эта фаза метастабильная, способная к распаду (Fe3С ® 3Fe + Сгр);
- графит – модификация углерода с ГПУ решеткой. Эта фаза стабильная, состоит на 100 % из углерода и имеет температуру плавления Тпл = 3600 оС.
В дополнение к фазам в виде твердых растворов на диаграмме имеются области существования механических смесей:
- перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, содержащая 0,8 % С (рис. 7.1, точка S);
- ледебурит – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита в интервале температур 1147 – 727 оС или перлита и цементита при температурах ниже 727 оС, содержащая 4,3 % углерода (рис. 4.1, точка С).
Сплошными линиями изображена диаграмма Fe – Fe3C, штриховыми – диаграмма Fe – С (рис.4.1). Основной является диаграмма Fe – Fe3С. Однофазные области диаграммы:
- выше линии ABCD (линия ликвидус) – жидкость (L);
- область AHN – область d - феррита;
- область NJESG – область аустенита;
- область GPQ – область a - феррита;
- линия LD или KD – область цементита Fe3C.
Остальные области диаграммы (рис. 4.1) – двухфазные: ледебурит, перлит и их комбинации.
4.1. Характеристика линий и точек диаграммы Fe – Fe3C
Линия АВСD - линия ликвидус – линия начала кристаллизации сплава и состоит она из трех частей:
- AB – начало образования d - феррита;
- BC – начало кристаллизации аустенита;
- CD – начало кристаллизации цементита Fe3C.
Линия AHJECF – линия солидус – линия конца кристаллизации сплава и состоит она из нескольких частей:
- AH – конец кристаллизации d - феррита;
- JE – конец кристаллизации аустенита;
- HJB - линия перитектического превращения:
Жв + FedH 1499 ® FegJ или ЖВ + ФH 1499® A аусJ
- ECF – линия эвтектического превращения:
Жс 1147® gЕ + Fe3CF или Жс 1147® АЕ + ЦI
Остальные линии соответствуют превращениям в твердом состоянии:
- NH и NJ (А4) – линии начала и конца полиморфного превращения Fed « Feg;
- GS (А3) и GP – линии начала и конца полиморфного превращения Feg « Fea;
- ES(Аст) – линия выделения вторичного цементита из аустенита (Fe3CII) за счет изменения растворимости углерода в g-железе. Эта линия называется линия сольвиус;
- PQ – линия выделения третичного цементита (Fe3CIII) за счет изменения растворимости углерода в a- железе;
- PSK (А1) – линия эвтектоидного превращения во всех сплавах независимо от содержания углерода:
FegS 727 ® FeaP + Fe3Ck или Ауст ® ФР + ЦII
- KD – линия существования химического соединения Fe3C (цементит);
- MO (А2) – 768 оС - линия магнитного превращения феррита (потеря магнитных свойств железа).
Физический смысл точек диаграммы:
- A – температура плавления и кристаллизации чистого железа;
- B – перитектическая точка;
- C – эвтектическая точка;
- D – температура плавления и кристаллизации цементита;
- N и G - температуры полиморфных превращений чистого железа;
- H – предельная растворимость углерода в d - железе;
- E – предельная растворимость углерода в g - железе;
- S – эвтектоидная точка;
- P и Q – точки предельной растворимости углерода в a - железе;
- M – точка магнитного превращения железа (точка Кюри).
А1, А2, А3, А4 – принятые условные обозначения фазовых превращений.
7.2. Практическое применение диаграммы Fe – Fe3C
Диаграмма Fe – Fe3C позволяет:
- определить температуры фазовых превращений (плавления, кристаллизации, полиморфных превращений, температуры растворимости фаз;
- определить температурные интервалы термической обработки, горячей и холодной обработки металлов давлением.
4.3. Классификация сплавов системы Fe – Fe3C
Сплавы железа с углеродом делятся на две группы:
- стали: сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 %С, кристаллизация которых заканчивается образованием аустенита, они обладают высокой пластичностью, хорошо деформируются;
- чугуны: сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 %С и кристаллизация которых заканчивается образованием эвтектики (ледебурита). Чугуны менее пластичны, обладают хорошими литейными свойствами.
4.3.1. Углеродистые стали классифицируются:
- по химическому составу, структуре;
- по способу выплавки;
- по степени раскисления;
- по качеству;
- по назначению.
По химическому составу и микроструктуре стали делятся на три группы:
- доэвтектоидные, которые содержат от 0,02 до 0,8 % углерода и имеют структуру феррит (Ф) или феррито-перлитную (Ф + П) (рис. 7.2а);
- эвтектоидные, которые содержат 0,8 % углерода и имеют структуру 100 % перлита (рис. 7.2б);
- заэвтектоидные, которые содержат от 0,8 до 2,14 % углерода и имеют структуру перлито – цементитную (П + Ц) (рис. 7.2в).
Сплав, содержащий углерода менее 0,02 % углерода и имеющий структуру 100 % феррита (Ф), называется техническим железом (Армко).
Для изменения химического состава и, соответственно, свойств стали в нужном направлении, в нее вводят специальные примеси, которые называются легирующими, а сами стали называются легированными.
Рис. 4.2. Микроструктуры углеродистых сталей: а – доэвтектоидных; б – эвтектоидных; в – заэвтектоидных
Углеродистые стали – основной конструкционный материал, свойства которого зависят от количества углерода, структуры и содержания примесей. С ростом содержания углерода меняется структура, уменьшается количество феррита, увеличивается количество перлита, а, соответственно, увеличиваются прочность и твердость и уменьшается пластичность (рис. 7.3)
Рис. 4.3. Влияние углерода на механические свойства стали
Прочность стали (sВ) растет только до содержания углерода 1,0 %, а затем падает за счет образования сетки вторичного цементита по границам зерен (рис. 7.4).
Рис. 4.4. Микроструктура стали с сеткой вторичного цементита по границам зерен
По способу выплавки стали делятся на мартеновскую, электросталь, выплавленную в электродуговых печах и конверторную, выплавленную в кислородно-конверторных печах.
По способу раскисления различают стали спокойные (сп), полуспокойные (псп), кипящие (кп).
По качеству, которое определяют постоянные в стали вредные примеси (S, P), стали делятся на стали общего назначения, качественные и высококачественные.
В конструкционных углеродистых сталях общего назначения допускается до 0,05 % серы и до 0,04 % фосфора. В качественных конструкционных сталях допускается содержание серы и фосфора менее 0,04 %. Высококачественные стали содержат серы и фосфора менее 0, 035 %. Особо высококачественные стали (только легированные) содержат серы менее 0,015 % и фосфора менее 0,025 %.
Сера нерастворима в железе и образует с ним химическое соединение FeS. Следствие чего – красноломкость, т. е. сталь становится хрупкой при повышенных температурах.
Фосфор растворяется в феррите, уменьшая пластичность, склонен к ликвации на границах зерен и вызывает хладноломкость.
Скрытые примеси (газы азот, кислород, водород), содержание которых составляет 1%, ухудшают пластические свойства стали.
Знак качества обозначается буквой А и проставляется в конце обозначения марки стали. Например: сталь инструментальная У10А, содержащая 1 % углерода.
По назначению стали делятся на конструкционные и инструментальные.
4.3.2. Чугуны, в зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие. Высокопрочные чугуны являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особую группу.
Белыми называют чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме состояния Fe – Fe3C, подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.
Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды ( НВ), хрупки и для изготовления деталей машин мало используются. Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны – отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготовляют прокатные валки, лемехи плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа.
В промышленности широко применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в виде графита. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, а также высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения. Вместе с тем включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.
Серыми называют чугуны с пластинчатой формой графита.
По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны – сплавы сложного состава, содержащие основные элементы: Fe-C-Si и постоянные примеси: Mn, P, S. В небольших количествах в обычных чугунах может содержаться Cr, Ni и Cu, которые попадают из руды. Почти все эти элементы влияют на условия графитизации, количество графитных включений, структуру металлической основы и, как следствие, свойства чугуна.
Углерод оказывает определяющее влияние на качество чугуна, изменяя количество графита и литейные свойства. Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений графита в чугуне и тем ниже его механические свойства.
Кремний обладает сильным графитизирующим действием; способствует выделению графита в процессе затвердевания чугуна и разложению выделившегося цементита.
Марганец затрудняет графитизацию чугуна, несколько улучшает его механические свойства, особенно в тонкостенных отливках.
Сера – вредная примесь. Она ухудшает механические и литейные свойства чугунов: понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
