По металлической основе серые чугуны различают на:
· перлитный,
· феррито-перлитный,
· ферритный.
По форме графитных включений различают:
· серый литейный чугун с пластинчатым графитом;
· высокопрочный чугун с графитом шаровидной формы;
· ковкий чугун с графитом хлопьевидной формы.
Серый литейный чугун (рис.21) получают методом литья. Основными способами графитизации являются:
· медленное охлаждение отливки (малая степень переохлаждения, ΔТ < 6°С);
· легирование кремнием;
· модифицированием твердыми частицами Al2O3, SiO2 или графита.
5.5. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
Чем больше содержание углерода в стали, тем выше её прочность и твёрдость, а пластичность и вязкость ниже (рис. 25). При содержании С>0,8% прочность падает из-за образования по границам зёрен хрупкой цементитной сетки (см. рис. 20 з).
Постоянные примеси попадают в сталь в процессе выплавки.
Полезные примеси: Mn от 0,3 до 0,8% и Si до 0,4%. Кремний повышает предел текучести, но снижает пластичность, марганец повышает прочность, не снижая пластичности.
Вредные примеси: сера, фосфор и газы (О2, Н2, N2). Сера вызывает красноломкость – разрушение металла при горячей обработке давлением (1000…1200˚С). Марганец связывает серу в более тугоплавкое соединение MnS, предупреждая красноломкость. Фосфор способствует хладноломкости стали, каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости на 20…25˚С. Газы охрупчивают сталь.
ГЛАВА 6. Теория термической обработки
Глава 6 ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Термообработка стали основана на фазовых превращениях в твёрдом состоянии при нагреве и охлаждении:
1.Превращение перлита в аустенит при нагреве.
2.Превращения аустенита при охлаждении:
· перлитное,
· мартенситное,
· бейнитное.
3. Превращения мартенсита при нагреве.
Условные обозначения основных критических линий диаграммы железо-цементит, использующиеся при термообработке: АС1(PSK); АС3(GS); Acm(SE).
6.1.Превращение перлита в аустенит при нагреве
При нагреве эвтектоидной стали выше линии АС1 (727˚С) перлит превращается в аустенит:
П (Ф0,02%С+Ц6,67%С)→А0,8%С.
Превращение является результатом двух одновременно протекающих процессов:
· полиморфного a®g превращения;
· диффузионного растворения цементита в аустените. Для выравнивания концентрации углерода в аустените требуется время (гомогенизация).
Начальное зерно аустенита – это зерно, полученное при 727°С, оно всегда мелкое (рис. 32).
Рис. 32. Схема роста аустенитного зерна при нагреве: НМЗ – наследственно мелкозернистая сталь, НКЗ – наследственно крупнозернистая
При нагреве зерно растет. Действительное зерно аустенита – это зерно, полученное при данной температуре, его размер зависит от температуры нагрева, времени выдержки и наследственности стали. Стали наследственно крупнозернистые (НКЗ) при производстве раскислены марганцем. При нагреве рост зерна в них начинается сразу выше АС1. Стали наследственно мелкозернистые (НМЗ) раскислены марганцем, кремнием и алюминием. Нитрид алюминия AlN, располагаясь по границам зёрен, тормозит их рост. При нагреве до 1000-1100˚С зерно растёт незначительно, но при более высоких температурах частицы AlN растворяются в аустените, и зерна аустенита резко растут.
При последующем охлаждении размер действительного зерна сохраняется, независимо от протекающих фазовых превращений.
Перегрев стали – это нагрев до температур, значительно превышающих температуры фазовых превращений (1000…1100˚С), в результате чего формируется крупнозернистая структура, ухудшаются механические свойства стали. Перегрев можно исправить повторным нагревом до температур, немного выше температуры фазовых превращений (Ас3 или Асm).
Нагрев до ещё более высоких температур в окислительной атмосфере, вызывает пережог стали. Происходит образование оксидов железа по границам зерен, резко повышается хрупкость. Пережог неисправим.
6.2. Превращения переохлаждённого аустенита
6.2.1. Диаграмма изотермического распада переохлаждённого аустенита
Если нагретую сталь со структурой аустенита переохладить до температуры ниже 727˚С, то аустенит окажется в неравновесном состоянии. Переохлажденный аустенит через некоторое время (инкубационный период) начнёт распадаться на феррито-цементитную смесь. В зависимости от степени переохлаждения и механизма процесса различают три превращения аустенита: перлитное, мартенситное и промежуточное (бейнитное). Превращения протекают в соответствии с диаграммой изотермического распада переохлажденного аустенита, изображаемой в координатах «температура-время» (рис. 33). На диаграмме, соответствующей эвтектоидной стали:
· Линия А1 отделяет область устойчивого аустенита.
· Линия 1 – линия начала диффузионного распада аустенита, левее этой линии – аустенит переохлажденный, его устойчивость минимальна при температуре около 500˚С.
· Линия 2 – линия конца диффузионного распада, правее этой линии - продукты перлитного (выше 500˚С) и бейнитного (ниже 500˚С) превращений.
· Линия Мн – линия (температура) начала бездиффузионного мартенситного превращения.
· Линия Мк – линия конца этого превращения, для эвтектоидной стали эта температура имеет отрицательное значение.
Рис. 33. Диаграмма изотермического распада аустенита для эвтектоидной стали
6.2.2. Перлитное превращение
Перлитное превращение идет при переохлаждении аустенита в диапазоне температур 727˚С...500˚С. При этом происходит распад аустенита на феррито-цементитную смесь:
А0,8%С→Ф0,02%С+Ц6,67%С.
Механизм перлитного превращения – диффузионный и включает два процесса:
· диффузионное перераспределение углерода, приводящее к образованию цементита;
· полиморфное превращение Feγ→Feα (ГЦК→ОЦК) с образованием феррита.
В итоге образуется феррито-цементитная смесь пластинчатого строения. В зависимости от температуры переохлаждения образуются феррито-цементитные смеси, отличающиеся степенью дисперсности (межпластинчатым расстоянием Δ0): перлит, сорбит, троостит (табл. 2). С увеличением степени переохлаждения увеличивается дисперсность структур, повышается прочность и твёрдость. Наибольшей пластичностью и вязкостью обладает структура сорбита.
Таблица 2
Продукты перлитного превращения
Ф-Ц смесь | tпереохлаждения,°С | Структура | Межпластинчатое расстояние Δ0, мкм | Твердость, НВ |
Перлит | А1…650 |
| 0,6…1,0 | 180…250 |
Сорбит | 650…550 |
| 0,25…0,3 | 250…350 |
Троостит | 550…500 |
| 0,1…0,15 | 350…450 |
6.2.3. Мартенситное превращение
Мартенситное превращение протекает в интервале температур Мн-Мк (рис. 33).
Механизм мартенситного превращения – бездиффузионный. При непрерывном быстром охлаждении аустенита со скоростью выше критической (VКР - критическая скорость закалки – минимальная скорость охлаждения для получения мартенсита) диффузии углерода не происходит, идет только полиморфное γ→α превращение:
Feγ(C)0,8%C→ Feα(C)0,8%C.
Образуется мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.
Кристаллическая решётка мартенсита - тетрагональная (Рис.34), в ней отношение периодов с/а≠1. Чем больше в мартенсите углерода, тем больше степень тетрагональности (с/а).
Рис.34. Кристаллическая решетка мартенсита
Мартенсит – структура закаленной стали, обладает высокой твердостью. Это объясняется искажениями кристаллической решётки, вызванными повышенным содержанием в ней углерода, увеличением плотности дислокаций до 1012см-2. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Твердость мартенсита стали с содержанием углерода 0,8% – 63…65 HRC.
Мартенсит имеет игольчатое строение (рис. 35).
Рис. 35. Строение мартенсита: а – схема, б – микроструктура
Основные особенности мартенситного превращения:
· превращение А→М идет по бездиффузионному механизму;
· превращение А→М идёт с увеличением объёма, что вызывает значительные остаточные напряжения;
· мартенситное превращение не идёт до конца, в структуре сохраняется остаточный аустенит (АОСТ).
Количество АОСТ зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали, которые влияют на положение точек начала и конца мартенситного превращения (рис. 36). При содержании углерода более 0,6% МК опускается в область отрицательных температур. Чем больше углерода и легирующих элементов, тем ниже МН и МК и тем больше в структуре остаточного аустенита.
Рис. 36. Влияние содержания углерода (сплошные линии) и легирующих элементов (пунктирные линии) на температуру мартенситных точек МН и МК
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 |
