Миронова Е.Н.

Миронова Е.Н.
Группа 13
Учебная дисциплина: «Материаловедение»
Тема урока: Свойства железа и углерода
Лекционный материал.
Железо и его свойства
Чистое железо — металл серебристо-белого цвета; тугоплавкий. Температура
плавления железа 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации, а и у.
При температурах ниже 910°С железо имеет объем- но-центрированную
кубическую решетку. Эту модификацию называют a-железо; а-железо магнитно
до температуры 768°С (точка Кюри).
При нагреве железа его объемно-центрированная кубическая решетка при
910°С превращается в гране- центрированную кубическую решетку, a-железо
превращается в у-железо; у-железо существует при температуре 910—1392°С.
В интервале температур 1392—1539°С существует a-железо, которое
обозначают также 8-железо.
Углерод и его свойства
Углерод является неметаллическим элементом. Температура плавления
углерода 3500°С. Углерод в природе может существовать в двух полиморфных
модификациях: алмаз и графит. Форма алмаза в сплавах не встречается.
В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме
графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Прочность и
пластичность его весьма низкие.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, может
образовывать химическое соединение — цементит, может находиться в
свободном виде в форме графита.
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные
составляющие.
Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в aжелезе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость
углерода в феррите очень мала: при комнатной температуре до 0,005 %;
наибольшая растворимость 0,02 % при 727°С. Феррит высокопластичен и мягок,
хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.
Аустенит (А) — твердый раствор углерода и других элементов в у-железе.
Существует только при высоких температурах. Предельная растворимость
углерода в у-железе 2,14 % при температуре 1147°С и 0,8 % при 727°С. Эта
температура является нижней границей су ществования аустенита в
железоуглеродистых сплавах. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем
феррит.
Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа
Fe3C). В цементите содержится 6,67 % углерода. Температура плавления
цементи i около 1600°С. Имеет сложную кристаллическую решетку. Самая
твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит
неустойчив и в определенных условиях распадается с образованием свободного
углерода в виде графита по реакции:
Fe3C→ 3Fe + С.
Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше его твердость.
Графит — аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность
его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде
включений различных форм. Форма графитовых включений влияет на
механические и технологические свойства сплава.
Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 %
углерода. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при
температуре 727°С. Этот распад называется эвтектоидным, а перлит —
эвтектоидом. Перлит обладает' высокими прочностью, твердостью и'-повышает
механические свойства сплава.
Ледебурит — механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3 %
углерода. Образуется в результате эвтектического превращения при температуре
1147°С. При температуре 727°С аустенит превращается в перлит, и после
охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом.
Ледебурит имеет высокую твердость и большую хрупкость. Содержится во всех
белых чугунах.
Контрольные вопросы:
1. Что называется железом?
2. Что называется углеродом?
3. Назовите структурные составляющие железоуглеродистых сплавов?
Группа 13
Предмет: Материаловедение
Тема урока: Термическая обработка стали
Лекционный материал.
Термическая обработка
Термической обработкой называется совокупность операций нагрева,
выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения
заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры.
Термическая обработка используется в качестве промежуточной операции для
улучшения обрабатываемости резанием, давлением и др. и как окончательная
операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень
физико-механических свойств детали.
Основными факторами любого вида термической обработки являются
температура, время, скорость нагрева и охлаждения. Режим термообработки
обычно представляется графиком в координатах температура — время (t— т).
Скорость нагрева и охлаждения характеризуется углом наклона линий на
графике.
Виды термической обработки стали
Различают три основных вида термической обработки металлов:
—
собственно термическая обработка, которая предусматривает только
температурное воздействие на металл;
— химико-термическая обработка, при которой в результате взаимодействия с
окружающей средой при нагреве меняется состав поверхностного слоя
металла и происходит его насыщение различными химическими
элементами;
— термомеханическая обработка, при которой структура металла изменяется
за счет термического и деформационного воздействия.
Основные виды собственно термической обработки стали:
— отжиг первого рода — нагрев, выдержка и охлаждение стального изделия с
целью снятия остаточных напряжений и искажений кристаллической
решетки после предшествующей обработки;
— отжиг второго рода — нагрев выше температуры фазового превращения и
медленное охлаждение, для получения равновесного фазового состава стали;
— закалка — нагрев выше температур фазового превращения с последующим
быстрым охлаждением для получения структурно неравновесного состояния;
отпуск — нагрев закаленной стали ниже температур фазовых превращений и
охлаждение для снятия остаточных напряжений после закалки. Если отпуск
проводится при комнатной температуре или несколько ее превышающей, он
называется старением.
Контрольные вопросы:
1. Что называется термической обработкой?
2. Перечислите виды термической обработки стали?
3. Перечислите виды термической обработки металлов?
Группа 13
Предмет: Материаловедение
Тема урока: Превращение перлита в аустенит
Лекционный материал.
Фазовые и структурные превращения при термической обработке стали
Основой для рассмотрения видов термической обработки стали является часть
диаграммы железо — углерод, соответствующая содержанию углерода до 2,14 %
и расположенная ниже линии солидус. Для этой части диаграммы характерны
следующие структуры, переход которых из одной в другую характеризует
основные превращения.
Аустенит — твердый раствор углерода в у-железе;
Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита.
Мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе.
При термической обработке стали различают четыре основные превращения:
— превращение при нагреве перлита в аустенит;
— превращение при охлаждении аустенита в перлит;
— превращение при охлаждении аустенита в мартенсит;
— превращение мартенсита в перлитные структуры.
Превращение перлита в аустенит происходит при температуре 727°С (линия
PSK), что соответствует очень медленному нагреву. В реальных условиях
превращение происходит при нагреве и в интервале температур. От степени
перегрева зависит скорость превращения. Чем выше температура, тем быстрее
идет превращение. После полного превращения перлита в аустенит размер зерен
в стали значительно уменьшается. При дальнейшем нагреве зерна растут, причем
разные стали характеризуются различной склонностью к росту зерна. Одни на
чинают быстро увеличивать размер зерен даже при небольшом перегреве, другие
остаются практически без изменений и начинают увеличивать зерна при
достаточно высоких температурах.
От склонности к росту зерна зависит технологический процесс горячей
деформации и термообработки. Чем меньше склонность к росту зерна, тем
больше интервал закалочных температур стали; ее прокатка и ковка могут
завершаться при более высоких температурах.
Величина зерна при комнатной температуре, полученная в результате
термической обработки (действительное зерно), обычно тем больше, чем больше
исходное зерно аустенита (полученное в результате нагрева). Величина
действительного зерна стали оказывает наибольшее влияние на ударную
вязкость, особенно при низких температурах.
Контрольные вопросы:
1. какие структурные превращения происходят при термической обработке?
2. Как происходит превращение перлита в аустенит?