Материаловедение и технология материалов Часть I (сплавы системы Fe-C)
advertisement
Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО Нижегородский государственный педагогический университет Шевченко С.М., Горшкова Т.А. Материаловедение и технология материалов Часть I (сплавы системы Fe-C) Учебно-методическое пособие Нижний Новгород 2009 1 УДК 691.328 ББК 34.222я73 Печатается по решению редакционно-издательского совета Нижегородского государственного педагогического университета Шевченко С.М., Горшкова Т.А. Материаловедение и технология материалов. Ч. I. – Н. Новгород: НГПУ, 2009. 36 с. В пособии изложены основы теории железоуглеродистых сплавов, их классификация, свойства, маркировка. Пособие выпущено для студентов дневного и заочного отделений технолого-экономического факультета, обучающихся по специальностям 050502 – «Технология и предпринимательство с дополнительной специализацией ИСПЭ» и 280101 – «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и предназначено для выполнения лабораторной работы, изучения теоретических основ и решения задач. УДК 620.16 (075) ББК 34.222я73 Рецензент: Дубинский В.Н., канд. техн. наук, доц. Нижегородского государственного технического университета 2 Лабораторная работа Изучение равновесных микроструктур железоуглеродистых сплавов Классификация, маркировка железоуглеродистых сплавов Цель работы: 1. Изучить диаграмму состояния «железо-углерод». 2. Изучить структуру сплавов системы Fe-C. 3. Усвоить классификацию, маркировку железоуглеродистых сплавов. 4. Провести полный фазовый и структурный анализ сплавов системы Fe-C. Краткие сведения из теории 1.Кристаллическое строение металлических материалов Все металлические материалы, получаемые обычным способом, представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого количества мелких (10-1 – 10-3) различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Вследствие нерегламентированных условий кристаллизации образовавшиеся кристаллы имеют неправильную форму (в отличие от монокристаллов правильной формы) и называются кристаллитами или зернами. Кристаллиты состоят из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. 3 Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой. Все элементарные ячейки, составляющие кристаллическую решетку, имеют одинаковую форму и объем. Атомы могут располагаться как в вершинах элементарной ячейки, так и в других ее точках. В первом случае элементарные ячейки называются простыми (примитивными), во втором – сложными. Все многообразие пространственных решеток можно разделить на семь систем (сингоний), исходя из соотношения между осевыми единицами (a, b, c – ребрами элементарной ячейки) и углами (α, β, γ) между ребрами. Наиболее распространенными объемноцентрированная кубическая среди металлов являются (ОЦК) (K, Li, Na, Mo, V , Nb, Feα и др.), гранецентрированная кубическая (ГЦК) (Feγ, Cu, Al, Ni, Pt, Ag и др.), гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (Mg, Zn, Hf и др.) (рис.1). 2.Полиморфные превращения Некоторые металлы в зависимости от температуры и давления могут существовать в различных кристаллографических формах (модификациях). Способность металла существовать в различных кристаллографических формах называют аллотропией или полиморфизмом. В результате полиморфного превращения меняется тип кристаллической решетки. Полиморфную модификацию, устойчивую принаиболее низкой температуре, обозначают α, при более высокой β, затем γ и δ. Известны такие полиморфные превращения для металлов: Feα Feγ; Соα Соβ; Tiα Tiβ; Mnα Mnβ Mnγ Mnδ и т.д., а также Ca,Na,Li,Cs,Sr,La,V и др. имеют различные модификации. Изменение формы и типа решетки кристаллов при полиморфных превращениях, происходящих в твердом металле, называется перекристаллизацией, при этом меняется форма и размер кристаллических зерен. Переход металла из одной полиморфной модификации в другую 4 протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением тепла (при охлаждении) или поглощением тепла (при нагревании). 3.Основные понятия теории сплавов Чистые металлы (кристаллическая решетка состоит из одинаковых атомов) в обычном состоянии обладают низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств, поэтому наиболее широко распространены сплавы. Сплав – это вещество, полученное сплавлением или спеканием двух или более элементов. Сплавы обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами. Изменяя концентрацию компонентов, можно получить множество сплавов, объединенных в систему из одних и тех же компонентов. Система – это вещество (или группа веществ), выделенное из окружающей среды таким образом, что влияние этой среды исключено. В системе сплавов выделяется такое понятие как фаза. Фаза – это однородная часть системы (сплава), имеющая однородный состав, кристаллическое строение, свойства, находящаяся в одном и том же агрегатном состоянии и ограниченная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачкообразно. Для исследования внутреннего строения металлов и сплавов изучают структуру. Структура – это форма и размеры кристаллов, в виде которых находятся разные фазы в сплавах. Строение материала, изучаемое при использовании микроскопа, называется микроструктурой, а строение материала, изучаемое невооруженным глазом и при помощи лупы (увеличение не более 50 раз), называется макроструктурой. 5 В зависимости от взаимодействия компонентов сплава образуются следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения. Жидкий раствор – раствор одного компонента в другом в жидком состоянии, характеризуется ближним порядком в расположении атомов. Твердые растворы образуются в тех случаях, когда атомы различных элементов, смешиваясь в разных соотношениях, способны образовать общую кристаллическую решетку. Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, атомы другого компонента располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры. Различают раствор внедрения и твердый раствор замещения (рис.2). Микроструктура твердого раствора представляет собой однородные кристаллические зерна, мало отличающиеся от структуры чистого металла. Если компоненты сплава могут вступать в химическое взаимодействие, то образуется химическое соединение, которое имеет характерные особенности. 1. Кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток компонентов, входящих в это соединение. Большинство соединений имеет сложную кристаллическую структуру. 2. В соединении всегда сохраняется простое кратное весовое соотношение компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой: AnBm , где А, В – соответствующие компоненты; n, m – простые числа. 3. Свойство химического соединения отличается от свойств входящих его компонентов. 4. Температура плавления постоянна. 6 К химическим соединениям относятся: Fe3C, Mo2C, Fe4N, Fe2O3, CuAl2 и т.д. Например, Fe3C – карбид железа, или цементит: 1) имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов; 2) соотношение компонентов 3:1 (3 атома Fe к одному атому С); 3) свойства цементита резко отличаются от свойств Fe и С; 4) Тпл Fe3C=1250°С. В твердом состоянии может не быть химического взаимодействиямежду компонентами или взаимного растворения друг в друге, тогда строение сплава является механической смесью отдельных частиц, зерен обоих компонентов. Отдельные фазы также могут находиться в сплаве в виде механических смесей (частицы нескольких фаз чередуются, последовательно образуя смесь этих фаз). Примером может служить перлит, ледебурит. 4.Правило фаз, правило отрезков и диаграмма состояния Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описываются с помощью диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия (рис.3). Диаграмма состояния в удобной графической форме показывает фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации. Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Таким образом, диаграмма состояния характеризует окончательное состояние сплавов, т.е. полученное после того, как все превращения в них произошли, и кристаллизация полностью закончилась. Это состояние сплава характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз и зависит от внешних условий (температуры, давления). 7 Закономерность изменения числа фаз в сплаве определяется правилом фаз. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением С=К+2 – Ф, где С – число степеней свободы (вариантность), К – число компонентов, образующих систему, 2 – число внешних параметров (температура, давление), Ф – число фаз, находящихся в равновесии. Под числом степеней свободы понимают возможность изменения температуры и давления без изменения числа фаз, находящихся в равновесии. Если считать, что давление атмосферное, т.е. постоянное, то правило фаз будет выглядеть как С=К+1 – Ф. Например, сплав из двух компонентов (К=2) при затвердевании является двухфазной системой (Ф=2), тогда С=2+1 –2=1, т.е. можно ( в определенных пределах) изменять внешний фактор равновесия – температуру без изменения числа фаз. Если в равновесии находится максимальное число фаз, то число степеней свободы равно нулю (С=0). Такое равновесие называется нонвариантным (безвариантным). Например, в двухкомпонентном сплаве (К=2) 3 фазы находятся в состоянии равновесия (Ф=3) (это происходит при температуре фазового превращения), тогда С=2+1 – 3 =0. В процессе кристаллизации изменяется концентрация фаз в сплаве (например, из жидкости выделяются кристаллы другой фазы, причем количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы , когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило отрезков. 8 В точке а, показывающей состояние сплава с содержанием С=1% при температуре t, сплав состоит из жидкости и аустенита (рис.4), т.е. находится в двухфазном состоянии. Положения правила отрезков формулируется следующим образом. Первое положение: чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз. (Проекция точки а’’ а’ - показывает концентрацию аустенита, проекция точки концентрацию жидкости). Второе положение: для того, чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, опрделяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам фаз. Так, количество жидкости Qж рассчитывается: Qж= а а '' а ' а '' 100% , а количество аустенита QA рассчитывается: QA= а' а а ' а '' 9 100 % . Диаграмма Fe-C Характеристика компонентов Диаграмма состояния в графической форме показывает фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условия равновесия. Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Это состояние может быть достигнуто при малых скоростях охлаждения и при длительном нагреве. Рассмотрение диаграммы состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Железо – металл переходной группы, пластичный, температура плавления серебристо-серого цвета, 1539°С. На практике применяют техническое железо, содержащее 0,1% примесей (Mn, Si, S, O2, N2, P). В твердом состоянии чистое железо находится в двух модификациях: при «низких» температурах (до 910°С) железо имеет ОЦК решетку и обозначается α-Fe или Feα. Feα обладает сильно выраженными магнитными свойствами. При температуре 768°С железо теряет магнитные свойства. Парамагнитное α-Fe устойчиво до 910°С. Кристаллическая решетка при этом не изменяется, т.е. аллотропического превращения нет. Это немагнитное железо обозначается иногда β-Fe . превращение: α-Fe При с температуре 910°С происходит ОЦК решеткой переходит в γ-Fe аллотропическое с ГЦК решеткой. Свойства железа меняются, оно приобретает особую пластичность, высокую вязкость, увеличивается способность растворять углерод, но оно остается немагнитным. При температуре 1392°С происходит второе аллотропическое превращение : ГЦК решетка γ-Fe вновь переходит в ОЦК решетку. Эту высокотемпературную модификациюжелеза обычно называют δ-железом. При температуре 1539°С железо плавится. Углерод является неметаллическим элементом с температурой плавления 1350°С. В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита, но может существовать в виде модификации алмаза. 10 Углерод растворим в железе (в жидком и твердом состоянии), а также может быть и в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах в виде графита. Характеристика фаз системы Fe-C В системе «железо-углерод» различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы – феррит, аустенит, а также химическое соединение цементит и графит. Феррит (Ф) – низкотемпературный твердый раствор углерода в α-Fe. Различают α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% при Т=727°С. С понижением температуры растворимость углерода в α-Fe быстро уменьшается и при Т=600°С составляет 0,008%. Высокотемпературный δ-феррит имеет характеризуется предельную высокой растворимость пластичностью и углерода низкой 0,1%. Феррит твердостью. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных светлых зерен (рис. 5.а). Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-Fe . Аустенит имеет ГЦК решетку. Атомы углерода в решетке γ-Fe располагаются в центре элементарной ячейки и в дефектных областях кристалла. Максимальная растворимость углерода в γ-Fe равна 2,14% при Т=1147°С. С понижением температуры растворимость углерода падает. Аустенит обладает высокой пластичностью и малой чувствительностью к хрупкому разрушению. Микроструктура аустенита состоит из светлых зерен с характерными двойниками. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом, с содержанием углерода 6,67% . Цементит – твердая и хрупкая фаза. Он обладает металлическим блеском, тепло- и электропроводимостью, слабыми магнитными свойствами. В структуре стали и чугуна цементит находится в виде игл, сетки по границам зерен и в форме отдельных массивных выделений. Различают: а) первичный цементит Ц1. Он выделяется при кристаллизации из жидкой фазы у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 4,3%; б) вторичный цементит Ц2 выделяется при вторичной кристаллизации из 11 аустенита у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,8% в интервале температур от 1147°С до 727°С; в) третичный цементит Ц3 выделяется при третичной кристаллизации из феррита у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,008% в интервале температур от 727°С до 0°С. Графит разновидности микроскопом (Г). Микроструктура углерода, имеет обладающего черный вид. графита как гексагональной Графит мягок, кристаллической решеткой, обладает под высокой электропроводностью, непрозрачный и имеет блеск. Жидкость (Ж) – раствор углерода в железе при температуре выше Т плавления. Характеристика структур (механических смесей) Перлит (П) – эвтектоидная смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Эта механическая смесь образуется при распаде аустенита определенного состава (0,8% С) при температуре 727°С. Эвтектоид состоит из мелких, различной величины пластинок цементита, расположенных в феррите (пластинчатый перлит) (рис. 5.г). Если цементит расположен в виде мелких зерен различной величины, то такая структура называется зернистым перлитом (рис. 5.д). Пластинки и зерна цементита своеобразно отражают свет: поверхность протравленного микрошлифа напоминает перламутр, что дало основание назвать эту микроструктуру перлитом. Ледебурит (Л) – цементитная эвтектика (эвтектика в переводе с греческого означает легко, хорошо плавящийся). Ледебурит образуется из жидкой фазы определенного состава (4,3% С ). При температуре от 1147°С и до 727°С ледебурит состоит из двух фаз: аустенита и цементита; ниже 727°С – из перлита и цементита. Содержание углерода в ледебурите всегда постоянное и равно 4,3% . Ледебурит – твердая и хрупкая структура. 12 Значение точек и линий диаграммы состояния «железо-углерод» Каждая точка диаграммы состояния «железо-углерод» характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре (см. рис.3). ЛИНИЯ АВСД – линия ликвидус. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоянии, представляющем собой жидкий раствор (жидкую фазу). ЛИНИЯ АНЕС – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. ЛИНИЯ АВ – показывает температуру начала выделения из жидкого раствора кристаллов феррита. Состав жидкой фазы при понижении температуры будет меняться по линии АВ (ликвидус); состав твердой фазы по линии АН (солидус). При достижении температуры 1499°С состав жидкой фазы будет соответствовать точке В (0,51% С), а состав твердой фазы – феррита – точке Н (0,1% С). Жидкость и феррит указанных составов при этой температуре начнут реагировать между собой, в результате чего образуются новые кристаллы – кристаллы аустенита состава точки J. Превращение, при котором две фазы – жидкость и твердые кристаллы строго определенного состава – реагируют между собой и образуют третью фазу определенного состава, называется перитектическим превращением. Температура перитектического превращения постоянна. Следовательно, линия НВ показывает температуру перитектического превращения. Перитектическая реакция протекает следующим образом: Ж.Ф.В+Ф.Н АJ ЛИНИИ ВС и СД показывают температуры начала первичной кристаллизации аустенита (ВС) и первичного цементита (ДС). При выделении из жидкой фазы кристаллов аустенита состав жидкой фазы будет обогащаться углеродом и по мере понижения температуры изменяться по линии ВС (ликвидус). Состав твердой фазы аустенита будет обогащаться углеродом и изменяться по линии JЕ (солидус). 13 При выделении из жидкой фазы кристаллов первичного цементита состав ее будет обедняться углеродом и с понижением температуры изменяться по линии ДС (ликвидус). Состав твердой фазы (цементита) остается постоянным, равным 6,67% С. При достижении температуры 1147°С состав жидкой фазы для любого сплава, расположенного между концентрациями от точки Е (2,14% С) до точки F (6,67% С), будет соответствовать точке С (4,3% С). При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы данного состава (4,3 % С) закристаллизуется с образованием эвтектической механической смеси, содержащей то же количество углерода, что и жидкость, т.е. 4,3%. Эта эвтектика называется ледебуритом. Она состоит из аустенита, состава точки Е (2,14% С) и цементита, содержащего 6,67% С. Следовательно, линия ЕС означает температуру образования эвтектики кристаллизации ледебурита сплавов, и содержащих температуру углерода конца более первичной 2,14%. Реакция образования ледебурита запишется так: Ж.Ф.С Лед.С(АЕ+Fe3C). Образование эвтектики ледебурита происходит при строго определенной температуре 1147°С. Структура сплава, содержащего 4,3% С, будет состоять из одного ледебурита. По мере удаления от точки С вправо и влево количество ледебурита будет уменьшаться, а количество первичных кристаллов избыточной фазы (первичного цементита и аустенита) увеличиваться. Сплавы, расположенные левее точки Е, после окончания процесса кристаллизации будут иметь структуру одного аустенита. При дальнейшем охлаждении затвердевших железоуглеродистых сплавов ниже линии солидус происходят растворимости углерода в α-Fe процессы, и связанные с изменением γ-Fe, а также процессы, которые обуславливаются аллотропическим превращением железа. ЛИНИИ GS и SE показывают температуры вторичной кристаллизации. Для сплавов левее точки S при понижении температуры ниже линии GS из аустенита будут выпадать кристаллы феррита; для сплавов, расположенных 14 правее точки S, при понижении температуры из аустенита будут выпадать кристаллы вторичного цементита. Состав аустенита при понижении температуры будет все время изменяться: для сплавов, лежащих левее точки S, обогащаться углеродом и изменяться по линии GS; для сплавов, лежащих правее точки S, обедняться углеродом и изменяться по линии ES. При достижении температуры 727°С состав аустенита для всех сплавов, содержащих углерода более 0,02%, будет соответствовать точке S (0,8% С). При этой температуре аустенит состава S (0,8% С) будет превращаться в эвтектоидную механическую смесь, содержащую тоже количество углерода, что и аустенит, т.е. 0,8% и состоящую из феррита состава точки Р (0,025% С) и цементита, содержащего 6,67% С. Эта механическая смесь называется перлитом. Следовательно, линия PSK показывает температуру образования перлита (эвтектоида) и температуру конца вторичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 0,02%. Реакция образования перлита запишется: AS ПS(ФР _ Fe3C). Образование перлита (эвтектоида) протекает при строго определенной постоянной температуре (727°С для сплавов железа с углеродом). Количество феррита увеличивается с уменьшением содержания углерода в сплаве, и при содержании углерода 0,02% (точка Р) и менее структура будет состоять из одного феррита. Структура сплава, содержащего 0,8% С, ниже 727°С будет состоять из одного перлита. Для сплавов, расположенных правее точки S, в избытке будет находиться цементит. С увеличением содержания углерода количество цементита будет расти. Структура этих сплавов соответственно содержанию углерода ниже 727°С будет состоять: из вторичного цементита и перлита (от 0,8% С до 2,14% С); перлита, вторичного цементита и ледебурита (от 2,14% С до 4,3% С); ледебурита (4,3% С); первичного цементита и ледебурита (от 4,3% с до 6,6% С). Вторичный цементит для сплавов, содержащих 4,3% С и более, входит в состав ледебурита и не является самостоятельной структурой. 15 ЛИНИЯ GP показывает температуру конца вторичной кристаллизации аустенита в феррит. При охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже линии PSK (727°С) начнется третичная кристаллизация, связанная с уменьшением растворимости углерода в α-Fe. Из феррита при понижении температуры будет выделяться третичный цементит. ЛИНИЯ PQ показывает температуру начала кристаллизации третичного цементита из феррита. Третичный цементит ниже 727°С может присутствовать у всех сплавов, содержащих более 0,008% С. Однако как структурная составляющая он находится только в сплавах, содержащих от 0,008 до 0,02% С, и оказывает в этом случае существенное влияние на их свойства. Диаграмма состояния железо-углерод (цементит) приведена на рисунке 3 и показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). С понижением температуры фазовый и структурный состав меняется, а в соответствии с содержанием углерода все сплавы делятся на стали (углерода 2,14%) и чугуны (углерода 2,14 – 6,67%). В таблице 1 показан структурный и фазовый состав сплавов системы Fe-C после охлаждения. Таблица 1 Количество углерода Сплав Структурный состав Фазовый состав не более 0,02 техническое железо Ф или Ф+Ц III Ф+Ц от 0,02 до 0,8 доэвтектоидные стали Ф+П Ф+Ц =0,8 эвтектоидная сталь П Ф+Ц от 0,8 до 2,14 заэвтектоидная сталь П+Ц Ф+Ц от 2,14 до 4,3 доэвтектический чугун П+Л+Ц Ф+Ц =4,3 эвтектический чугун Л Ф+Ц 4,3 – 6,67 заэвтектический чугун Л+Ц Ф+Ц % 16 Таким образом, после охлаждения сплавов системы Fe-C их структурный состав разный, а фазовый одинаковый (Ф+Ц). Структуры доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной сталей представлены на рис.5. Анализ фазовых превращений в доэвтектоидной стали При понижении температуры сплава 1 (рис.6) до линии ликвидус (точка t1) из жидкой фазы начинают выделяться кристаллы δ-феррита и сплав становится двухфазным (жидкость и кристаллы δ-феррита). В двухкомпонентной системе при наличии двух фаз степень свободы системы С=2+1–2 =1, т.е. процесс кристаллизации протекает при изменяющейся температуре. Состав твердого раствора при понижении температуры меняется по линии солидус, а состав жидкости – по линии ликвидус. При температуре 1499°С (линия НIВ) в равновесии находятся δ-феррит состава точки Н(0,1% С) и жидкая фаза состава точки В(0,5% С). При постоянной температуре 1499°С (С=2+1–3=0) протекает перитектическая реакция Аt. ЖВ+ФН 1499 Ниже перитектической температуры из жидкости кристаллизуется аустенит. При температуре t3 сплав полностью затвердеет. В интервале температур t3 - t4 (С=2+1–1=2) существует только аустенит. При понижении температуры несколько ниже t4 (линия GS) из аустенита выделяется феврит и сплав получает двухфазовое состояние: А и Ф (С=2+1–2=1). Состав А при понижении температуры при этом изменяется по линии GS, а Ф – по линии PG. При достижении температуры 727°С (линия PSK) содержание углерода в А равно 0,8% (точка S). Аустенит, имеющий эвтектоидный состав, распадается с одновременным выделением из него феррита (Ф) и цементита (Ц), образующих перлит: AS ФP+Fe3C(Ц). 17 Эвтектоидный распад А протекает при постоянной температуре 727°С (линия PSK), поэтому эта реакция на кривой охлаждения изображена в виде горизонтальной площадки (как и реакция перитектического превращения). При наличии трех фаз: феррита (0,02% С), цементита (6,67% С) и аустенита (0,8% С) система нонвариантна (С=2+1 – 3 =0). Все доэвтектоидные стали имеют структуру Ф+П. Таким образом, от начала кристаллизации до полного охлаждения доэвтектоидные стали претерпевают следующую цепочку переходов и превращений: Аt Аt+Ж(избыток) Ж δ-Ф+Ж ЖВ+ФН 1499 А А+Ф АS ПS(ФН+ЦК) Ф+П Аналогичным образом можно проанализировать любой сплав системы Fe-C, как сталь, так и чугун, а также подсчитать количество каждой фазы в двухфазных областях (по правилу отрезков). Определение содержания углерода в доэвтектоидной стали по ее микроструктуре Принимая во внимание, что феррит практически не содержит углерода, а в перлите углерода содержится 0,8%, можно по соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре ферритом и перлитом, ориентировочно определить содержание углерода в стали. Например, при изучении структуры стали под микроскопом «на глаз» определили, что площадь, занимаемая перлитом (темное включение), составляет 30%. Как известно, при 100% содержании перлита углерода в стали содержится 0,8% при 30% содержании перлита (по его площади) углерода содержится Х%, тогда: Х=30·0,8/100=0,24%. Следовательно, в стали содержится 0,24% С. Заэвтектоидные стали содержат от 0,8% до 2,14% углерода. Структура заэвтектоидной стали при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита. Цементит в зависимости от режима термической обработки наблюдается в виде светлых, небольших по величине зерен либо в 18 виде светлой сетки по границам зерен перлита (рис. 5.е). Строение и свойства перлита заэвтектоидной стали аналогичны перлиту в эвтектоидной стали. Количество вторичного цементита в структуре заэвтектоидной стали невелико и увеличивается с повышением содержания в ней углерода. Для количественного определения отдельных структурных составляющих в стали при определенном содержании углерода пользуются методом треугольника. Сущность его сводится к следующему: 100% перлита будет в эвтектоидной стали с содержанием углерода 0,8%. В крайних точках треугольника перлита не будет. Ординаты треугольника показывают количество перлита в сплавах «железо-углерод». Пользуясь методом треугольника, можно определить количество перлита, вторичного цементита в заэвтектоидной стали. Например, определим качественно и количественно структуру стали с содержанием углерода 1,2%. 1. Сталь заэвтектоидная, структура ее будет П+Ц2 2. Из dbc определяем количество перлита в этой стали: П2 / 100 = 6,67-1,2/6,67-0,8; П2 = 93,1% Следовательно, в этой стали будет П=93,1%, а вторичного цементита – 6,9% (структурно свободный цементит). Влияние углерода на механические свойства стали (прочность, твердость и пластичность) С увеличением содержания углерода в стали понижается ее пластичность, увеличивается твердость и прочность для эвтектоидной и доэвтектоидной стали. Увеличение прочности в этих сталях связано с увеличением в структуре количества перлита. В заэвтектоидной стали при увеличении содержания углерода продолжает значительно увеличиваться твердость, но прочность падает, так как сказывается наличие хрупкого цементита, располагающегося по границе зерен. При этом снижается и пластичность. Следует обратить внимание, что форма и размер цементитных частиц в перлите существенно влияют на 19 свойства и обрабатываемость сталей резанием. Чем грубее и крупнее в перлите цементитные включения, тем ниже его механические свойства. Зернистый перлит менее тверд и прочен, но более пластичен (см.табл.2). Таблица 2 Механические свойства Структура δВ δ кг/мм 2 % НВ 1.Перлит пластинчатый с мелкими частицами цементита 2.Перлит крупнопластинчатый с крупными частицами цементита 133 11 200 55 5 250 3.Зернистый перлит 63 20 160-220 Величина зерен стали тоже влияет на ее свойства. С укрупнением зерен понижается ударная вязкость, твердость и другие свойства. Примеси в стали Следует иметь в виду, что сталь – это сложный сплав и содержит кроме углерода другие элементы, примеси. а) Полезные примеси: марганец (Mn) до 0,7%, кремний (Si) до 0,5%. Они раскисляют металл, устраняя вредное влияние окиси железа (включения FeO сообщают стали хрупкость): FeO+Mn=MnO+Fe 2FeO+Si=SiO2+2Fe. Окислы MnO и SiO2 всплывают в виде шлака. Кроме того, кремний повышает упругость сталей. б) Вредные примеси: сера и фосфор. Сера вызывает явление красноломкости, что препятствует прокатке и ковке. Допустимое содержание серы до 0,05%. 20 Фосфор (содержится до 0,05%) вызывает явление хладноломкости. Но в некоторых случаях сера и фосфор способствуют лучшей обрабатываемости сталей. в) Газы – азот и кислород – содержатся в стали в небольших количествах и образуют неметаллические включения, которые ухудшают свойства сталей. Общая характеристика сталей 1. По химическому составу стали делятся на: углеродистые – стали, содержащие железо, углерод и постоянные примеси; легированные – стали, содержащие железо, углерод, легирующие элементы (Cr, Ni, Si, Mn, Ti, Mo и др.), постоянные примеси. 2. По назначению стали бывают: конструкционные, используемые для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов. Обладают хорошими технологическими свойствами; инструментальные, используемые для изготовления инструментов различного назначения. Важным требованием являются высокие механические свойства (твердость, прочность); стали с особыми физическими свойствами, например, с особыми магнитными или электрическими свойствами. 3. По способу производства (по качеству) стали бывают: обыкновенного качества; они выплавляются в конверторах или в мартеновских печах и могут иметь до 0,06% серы и до 0,07% фосфора; 21 качественные стали, выплавляются в мартеновских и электрических печах и могут содержать не более 0,04% серы и 0,035% фосфора; высококачественные стали, выплавляются, в основном, в электрических печах, и содержание вредных примесей в них не должно превышать 0,025% серы, 0,025% фосфора; высококачественные стали обозначаются буквой А в конце маркировки. 4. По степени раскисления стали делятся на кипящие (обозначаются КП в конце маркировки); полуспокойные (ПС); спокойные (в маркировке не обозначаются). Кипящими и полуспокойными бывают только углеродистые, легированные стали всегда спокойные. 5. По структуре углеводистые стали бывают доэвтектоидные (углерода до 0,8%); эвтектоидные (углерода до 0,8%); заэвтектоидные (углерода от 0,8% до 2,14%). Легированные стали имеют более сложную градацию по структуре, хотя среди них тоже есть доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества Маркируются буквами Cm. и далее порядковый номер сплава от 0 до 6. Например: Cm.0; Cm.1; Cm.3; Cm.2КП; Cm.3ПС; Cm.5 Углеродистые конструкционные качественные стали 05КП, 08КП, 08ПС; 10КП…35,48,45,…60, 60Г,65Г, 70Г и т.д. Число показывает содержание углерода в сотых долях процента (40 – 0,4% С; 05 – 0,05% С). Буква Г показывает повышенное содержание Mn. КП; ПС– степень раскисления. 22 Углеродистые инструментальные стали Углеродистые инструментальные стали обозначаются буквой У в начале маркировки, далее цифра или число, показывающая количество углерода в десятых долях процента. Например, У7, У8, У8А, … У13, У13А. Буква А в конце обозначает высококачественную сталь. Легированные стали В легированных конструкционных сталях количество углерода показывают в сотых долях процента, а в инструментальных – в десятых долях процента. Цифра или число после буквы, обозначающей легирующий элемент, показывает его количество. Каждый легирующий элемент обозначается следующей буквой: А (в середине маркировки) – азот Б – ниобий В – вольфрам Г – марганец Д – медь К – кобальт Л – бериллий М – молибден Н – никель С – кремний П – фосфор Т – титан Х – хром Ц – цирконий Ч – редкоземельные элементы Ф – ванадий Ю – алюминий 23 Например: 9ХС – легированная инструментальная, углерода 0,9%, хрома 1%, кремния 1%; 38ХН3ЮСА – легированная конструкционная, углерода 0,38%, хрома 1%, никеля 3%, алюминия 1%, кремния 1%, высококачественная (А в конце маркировки); ХВГ – легированная, инструментальная, углерода 1%, хрома, вольфрама, марганца по 1%. Чугуны Чугун отличается от стали по составу более высоким содержанием углерода; по технологическим свойствам – лучшими литейными качествами, малой способностью к пластическим деформациям (в обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле стали. В зависимости от химического состояния углерода и формы графитных включений чугуны могут быть белыми, серыми, ковкими и высокопрочными. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Структура белых чугунов соответствует диаграмме равновесного состояния Fe-C. По структуре и содержанию углерода белые чугуны делятся на: 1) доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% С; структура их состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита; 2) эвтектические, содержащие 4,3%С; структурное состояние характеризуется ледебуритом; 3) заэвтектические, содержащие от 4,3% до 6,67% С; структура состоит из первичного цементита и ледебурита. Из-за наличия структурно свободного цементита и ледебурита белые чугуны характеризуются высокой твердостью и хрупкостью, практически не поддаются обработке режущим инструментом. 24 В сером чугуне углерод находится в виде графита, количество, формы и размеры которого изменяются в широких пределах. Металлическая основа серого чугуна может быть перлитная, феррито-перлитная и ферритная. Свойства серого чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений. Серые чугуны маркируют буквами СЧ (серый чугун) и цифрами (например, СЧ 12, СЧ 15, СЧ 28). Две цифры после букв показывают средний предел прочности при растяжении. Например, чугун марки СЧ 12 имеет δВ120МПа. В высокопрочном чугуне углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита. Высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и цифрами (например, ВЧ 40, ВЧ45, ВЧ 50), при этом цифры указывают на средний предел прочности при растяжении в кг/мм2 (или 10 в МПа). Ковкий чугун получают в результате отжига отливок белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерод отжига). Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами (например, КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10 и т.д.). Первые две цифры указывают на предел прочности растяжения, а следующие – на относительное удлинение в процентах. На схеме структур (рис.7) представлена описанная выше классификация чугуна по строению металлической основы и форме графита. Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений. 25 Задание 1. Для сплава известной марки (по указанию преподавателя) рассмотреть, пользуясь диаграммой состояния, все фазовые и структурные превращения, происходящие при охлаждении сплавов из жидкого состояния до нормальной температуры. Описать равновесную структуру, найти ее в атласе или коллекции микрошлифов, построить кривую охлаждения 2. Изучить микроструктуру сталей с различным содержанием углерода. 3. Исследовать под микроскопом микрошлифы белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов. 4. Определить самостоятельно микроструктуру и марку стали или чугуна контрольного образца. 5. Построить кривую охлаждения для стали 40. Сделать полный фазовый и структурный анализ, подсчитать количество фазовых и структурных составляющих при температуре 600°С. 6. Составить письменный отчет. Отчет должен включать: а) диаграмму состояния и определение всех точек и линий, а также всех структурных составляющих стали и чугуна; б) описание фазовых и структурных превращений для указанного сплава и зарисовку его микроструктуры. Контрольные вопросы 1. Дать определение следующих понятий: система, компоненты, фаза, структура. 2. Описать значения точек и линий диаграммы состояния «железо-углерод». 3. Какие сплавы называются сталями? Углеродистыми сталями? 4. На какие группы подразделяются стали по структуре в связи с разным содержанием углерода? Охарактеризуйте типичную структуру для каждой из них. 5. Как изменится структура сталей с повышением содержанием углерода? 6. Как меняются основные механические свойства сталей с повышением содержания углерода? Свяжите эти изменения с изменениями в структуре. 26 7. Как классифицируются углеродистые стали по назначению и способу производства? 8. Какие сплавы называются чугунами? Укажите классификацию чугунов (по состоянию углерода и по форме графитовых включений). 9. Какие микроструктуры белых чугунов вы знаете? 10. Что такое серый чугун и от чего зависят свойства серого чугуна? Тестовые задания 1. Сталь – сплав железа с углеродом , где углерода … 1) до 0,8% 2) до 2,14% 3) до 4,3% 4) до 6,6% 2. В системе Fe-C твердым раствором является … 1) (А) аустенит 2) (Ц) цементит 3) (Г) графит 4) (П) перлит 3. Цементит – это … 1) твердый раствор 2) механическая смесь 3) химическое соединение 4) жидкий раствор 4. Перлит – это эвтектоидная смесь … 1) Ф+П 2) Ф+Ц 3) Ф+А 4) Ц+А 27 5. Сколько фаз находится в состоянии равновесия, если структура сплава состоит из эвтектоидной смеси? 1) одна 2) две 3) три 4) четыре 6. Сколько фаз находится в состоянии равновесия, если структура сплава состоит из жидкости и эвтектики? 1) одна 2) две 3) три 4) четыре 7. Какая из перечисленных сталей является легированной инструментальной? 1) 60 2) 60Х2НС 3) 6ХС 4) 65Г 8. Какая из перечисленных сталей является углеродистой инструментальной? 1) 40 2) 9Х 3) У10А 4) Ст.6 9. Какую структуру имеет белый эвтектический чугун? 1) Л+Ц 2) П 3) Л 4) Л+П+Ц 28 10.Какой из перечисленных чугунов имеет наибольшую прочность? 1) СЧ – 20 2) СЧ – 22 3) КЧ 40 – 3 4) КЧ 37 – 9 29 Используемая литература 1. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. С.59-67, 113-161 2. Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высшая школа, 2004. 519 с. 3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1986. 511 с. 4. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Волткун Ф. Материаловедение. – СПб.: Химиздат, 2002 30
