Данная диаграмма показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % С). Диаграмма состояния существует в двух состояниях (модификациях):

1. Метастабильная (Fe - Fe₃C, Fe - Ц).

2. Стабильная (Fe - C, Fe - Г).

2. Диаграмма состояния "железо - карбид железа"

Диаграмму метастабильного равновесия системы железо-цементит с неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии, ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с перитектическим превращением, эвтектическим превращением и с эвтектоидным превращением.

Линия АВСD - линия ликвидус. Выше сплавы находятся в жидком состоянии (L - ликвидус). Линия AHJECFD - линия солидус.

Характерным точкам диаграммы состояния Fe - Fe₃С соответствуют:

т. А - точка плавления чистого Fe - 1539є С.

т. N - точка полиморфного превращения - 1392єС:

-Fe-Fe;

т. G - точка полиморфного превращения -911єС:

- Fe - Fe;

т. D - температура плавления цементита 1250є С (в учебниках можно видеть различные температуры, т.к. они постоянно уточняются).

Линии диаграммы:

АВ - показывает температуру начала кристаллизации-феррита из жидкого сплава (Ж);

ВС - соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава;

СD - соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃С) из жидкого сплава;

АН - ниже этой линии существует только -феррит;

HJB - линия перитектического (нонвариантного С = 0) равновесия - 1499єС; по достижении этой температуры происходит реакция:

NH - начало полиморфного превращения:

- Ф - Fe (аустенита), или (- Ф А)

NJ - конец полиморфного превращения:

- Ф - Fe (аустенита), (или - Ф А)

Между линиями NH и NJ существует двухфазная структура: феррит (- Ф) и аустенит (- Fe)

JE- ниже соответствующих этой линии температур процесс кристаллизации заканчивается, после затвердевания структура сплавов однофазная - аустенит (- Fe).

ECF -линия эвтектического равновесия (1147 єС):

Ж_С А_Е + Fe₃С

ледебурит (эвтектика)

Сплавы, находящиеся в интервале точек, называются:

EC - доэвтектические чугуны;

С - эвтектический чугун;

CF - заэвтектические чугуны;

PSK-линия эвтектоидного равновесии (727є С):

А_S Ф_р + Fe₃C

перлит (эвтектоид)

GS - начало полиморфного превращения:

- Fe (А) - Fe (Ф).

PG - конец полиморфного превращения:

- Fe (А) - Fe (Ф).

ES - линия предельной растворимости углерода (или цементита) в аустените, соответствует температурам начала внедрения из аустенита вторичного цементита.

PQ - линия ограниченной растворимости углерода в феррите, соответствует температурам начала внедрения третичного цементита.

Сплавы, находящиеся в интервале точек, называются:

PS - доэвтектоидные стали;

S - эвтектоидная сталь;

SE - заэвтектоидные стали.

На диаграмме имеется Ц_I, Ц_II, Ц_III - эти фазы не отличимы по химическому составу (т.е. имеют формулу Fe₃С), только:

Ц_I - выделяется из жидкости в заэвтектическом белом чугуне;

Ц_II - выделяется из аустенита в заэвтектоидных сталях или чугунах;

Ц_III - выделяется во всех сталях и чугунах из феррита.

Сплавы от 0 до 0,025 % С называют технически чистым железом (в нем больше примесей, чем у химически чистого Fe). Сталями называют сплавы железа с углеродом от 0,025 до 2,14 % С. Чугуны это сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67 % углерода.

2. Что такое ликвация? Причины ее возникновения и способы устранения

Ликвация (от лат. liquatio - разжижение, плавление), сегрегация (от позднелат. segregatio - отделение) в металлургии, неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации. Особое значение имеет Л. в стали, впервые обнаруженная русскими металлургами Н.В. Калакуцким и А.С. Лавровым в 1866.

Л. возникает в результате того, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. При этом состав кристаллов, образующихся в начале затвердевания, может существенно отличаться от состава последних порций кристаллизующегося маточного раствора. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем большее развитие получает Л., причём наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину интервала кристаллизации (для стали, например, сера, кислород, фосфор, углерод). Л. оказывает, как правило, вредное влияние на качество металла, т.к. приводит к неравномерности его свойств.

Различают дендритную Л., которая проявляется в микрообъёмах сплава, близких к размеру зёрен, и зональную Л., наблюдаемую во всём объёме слитка. Дендритная Л. выражается в том, что оси дендритных кристаллов отличаются по химическому составу от межосных пространств. Этот вид Л. может быть в значительной степени устранён при длительном отжиге металла (так называемая гомогенизация) в результате диффузии примесей. Зональная Л. выражается в наличии в слитке нескольких зон с различным химическим составом, которые в зависимости от характера отклонений от среднего состава сплава называются зонами положительной или отрицательной Л. Различают осевую и внеосевую Л. Для уменьшения зональной Л. ограничивают размеры слитков, а также применяют специальные металлургические процессы: непрерывную разливку, переплав в водоохлаждаемом кристаллизаторе (электрошлаковый или вакуумный) и т.п.

На практике для оценки химической неоднородности распределения тех или иных вредных примесей и углерода используют отдельные частные методики, которые позволяют выявить зональную, внутридендритную или междендритную ликвацию таких вредных примесей, как сера и фосфор, а также такого основного элемента стали, как углерод. Для определения ликвации серы используют так называемый метод отпечатков, который можно отнести к группе методов поверхностного травления. В этом случае поверхность макрошлифа, хорошо шлифованную шкуркой с мелким зерном, протирают ватой, смоченной спиртом, для удаления следов абразивного материала, металлической пыли и других загрязнений. Затем лист фотографической (бромсеребряной) бумаги на свету смачивают или выдерживают в течение 5-10 мин в 5 % -ном водном растворе серной кислоты и слегка просушивают между листами фильтровальной бумаги для удаления излишнего раствора. После этого на приготовленный шлиф накладывают фотографическую бумагу и эмульсионной стороной осторожно, не допуская смещения бумаги, проглаживают резиновым валиком или рукой (в резиновой перчатке) для удаления оставшихся между бумагой и макрошлифом пузырьков воздуха, так как эти пузырьки оставляют на бумаге белые пятна и искажают результаты анализа. Фотобумагу выдерживают на макрошлифе 3-15 мин.

Сера находится в стали в виде соединений с марганцем (MnS) или железом (FeS). На тех участках поверхности металла, на которых имеются скопления сернистых соединений (сульфидов), происходит реакция между ними и серной кислотой, оставшейся на фотобумаге:

FeS + H2SO4 FeSO4 + H2S.

Аналогичная реакция протекает и c сернистым марганцем.

Сероводород, образующийся непосредственно против очагов своего выделения, воздействует на кристаллики бромистого серебра фотоэмульсии, поэтому на этих участках происходит дальнейшая реакция:

2AgBr + H2S 2НВг + Ag2S.

Сернистое серебро имеет темный цвет, поэтому образующиеся на фотобумаге темные участки указывают форму и характер распределения включений сульфидов в исследуемой стали (или чугуна). Снятую с макрошлифа фотобумагу промывают струей воды, фиксируют 20-30 мин в растворе гипосульфита, после чего снова промывают (примерно 10 мин) в воде и просушивают.

Фосфор, если он присутствует в отдельных участках стали и чугуна, в повышенном количестве вследствие ликвации, может также участвовать в реакции с бромистом серебром, образуя фосфиды серебра темного цвета, для определения ликвации угле - рода и фосфора используют приведенный выше реактив Гейна. Участки стали с различным содержанием этих элементов травятся неодинаково, В участках, обогащенных углеродом и фосфором, медь выделяется менее интенсивно и поэтому меньше защищает поверхность металла от травящего действия хлористых солей реактива. Эти участки окрашиваются в более темный цвет.

Лучшие результаты получаются при макроанализе стали, содержащей до 0,6 % С. В стали с большим содержанием углерода осадок меди плохо смывается с макрошлифа. Этот реактив выявляет одновременно и ликвацию серы, поскольку характер распределения серы, фосфора и углерода почти одинаков.

Для устранения ликвации используют отжиг.

Отжигом называют нагрев стали до заданной температуры, выдержку и медленное (вместе с печью) охлаждение. В зависимости от марки стали скорость охлаждения колеблется в пределах от 150 до 30 градусов в час. После отжига получается наиболее равновесная структура.

Отжиг применяют:

- для снятия внутренних напряжений;

- получения минимальной твердости;

- исправления структуры кованой, литой или перегретой стали;

- устранения дендритной ликвации.

В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отжига:

1) Низкий отжиг. Температура нагрева ниже нижней критической точки Ас1 на 100 - 50оС:

Тн = Ас1 - (100 … 50) оС.

Нагрев не сопровождается фазовыми превращениями, поэтому структура таким отжигом не изменяется (исключение - рекристаллизационный отжиг после холодной пластической деформации). Отжиг низкий применяют для снятия внутренних напряжений.

2) Неполный отжиг. Температура нагрева лежит на 30 - 50 градусов выше нижней критической точки стали:

Тн = Ас1 + (30 … 50) оС.

Нагрев сопровождается частичной фазовой перекристаллизацией и приводит к исправлению перлитной (П) составляющей. Избыточная структурная составляющая феррит не претерпевает изменений. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяется редко.

3) Полный отжиг. Температура нагрева лежит на 30 - 50 градусов выше верхней критической точки Ас3:

Тн = Ас3 + (30 …50) оС.

Нагрев приводит к полной фазовой перекристаллизации и, как следствие, исправлению перегретой структуры. При нагреве выше точки Ас3 на 30 … 50 оС образуется мелкое аустенитное зерно (см. рисунок 1, а), из которого при охлаждении с малой скоростью (кривая 1 - рисунок 1, в) формируется мелкая ферритно-перлитная структура. Если нагреть сталь до более высоких температур, аустенитное зерно вырастет, из такого зерна после охлаждения образуется крупнозернистая ферритно-перлитная структура (рисунок 1).

а - нормальный нагрев; б - перегрев.

Рисунок 1 - Структурные изменения доэвтектоидной стали при полной фазовой перекристаллизации

Полный отжиг снимает внутренние напряжения, смягчает сталь и полностью исправляет структуру. Применяют полный отжиг только для доэвтектоидных сталей, так как в заэвтектоидных сталях при медленном охлаждении образуется цементитная сетка вокруг перлитных зерен, что охрупчивает сталь.

3. Как изменяются структура и свойства металла при холодной пластической деформации?

В основе пластического деформирования металлов лежит перемещение дислокаций практически при любых температурах и скоростях деформирования. Сущностью пластического деформирования является сдвиг в результате которого одна часть кристалла смещается по отношению к другой части. Для сдвига в идеальном кристалле, в котором все атомы на плоскости сдвига сразу перемещаются на одно межатомное расстояние, нужно, как показывают расчеты, касательное напряжение 0,1 G (G - модуль упругости сдвига). В реальных кристаллах сдвиг происходит при напряжениях всего 10 - ⁴ G, что в 1000 раз меньше теоретически необходимых. Это объясняется тем, что происходит за счет скольжения дислокаций и в нем участвует незначительная доля атомов, расположенных на плоскости сдвига (рис.2).

Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. В обоих случаях пластическая деформация связана с определенными плоскостями и направлениями в решетке.

Фактически пластическая деформация осуществляется за счет перемещения дислокаций. Рассмотренная схема пластической деформации позволяет сделать вывод; что процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение первичных дислокаций вызывает появление большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации (рис.3).

а)

б)

Рисунок 2. Схема деформации: а) схема пластического сдвига в идеальной кристаллической решетке; б) дислокационная схема пластического сдвига

Рисунок 3. Механизм образования дислокации в процессе пластической деформации

Способность реального металла пластически деформироваться является его важнейшим и полезнейшим свойством. Это свойство используют при различных технологических процессах - при протяжке проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т.д. Большое значение оно имеет и для обеспечения конструктивной прочности или надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий из металла. Опыт показывает, что если металл находится в хрупком состоянии, т.е. если его способность к пластическому деформированию низка, то он в изделиях склонен к внезапным так называемым хрупким разрушениям, которые часто происходят даже при пониженных нагрузках на изделие.

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется и изменяются его физические свойства - электросопротивление, магнитные свойства, плотность. Наклепанный металл запасает 5 - 10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (например, плотность дислокаций возрастает до 10⁹-10¹² см - ²) и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла меняются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость; _В; _Т; _УПР) и понижаются пластичность и вязкость (, , KCU). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, после 40% - ной деформации механические свойства меняются незначительно (Рис.4). С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее предела прочности (временного сопротивления). Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным, при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление (предел прочности) удается повысить в 1,5 - 3 раза, а предел текучести - в 3 - 7 раз при максимально возможных деформациях. Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК-решеткой.

железо цементит диаграмма металл

Рисунок 4. Зависимость механических свойств от степени деформации

С ростом степени деформации возрастает удельное электросопротивление, коэрцитивная сила, понижается магнитная проницаемость, остаточная индукция и плотность металла.

Наклепанные металлы более активно, вступают в химические реакции, они легче корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию. При больших степенях деформации в результате образования текстуры деформации проявляется анизотропия механических и магнитных свойств.

Упрочнение при наклепе широко используют для повышения механических свойств деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. В частности, наклеп поверхностного слоя деталей повышает сопротивление усталости.

В промышленности широко применяют следующие высокопроизводительные эффективные и дешевые способы поверхностного упрочнения деталей: дробеструйный наклеп, накатывание поверхности роликами или шариками, чеканка специальными бойками, гидроабразивный наклеп и др.

Эти способы позволяют значительно увеличить долговечность деталей, повысить прочность и твердость, уменьшить пластичность и вязкость.

Дробеструйный наклеп осуществляется потоком стальной или чугунной дроби (диаметр 0,4 - 2,0 мм, твердость 62 - 64 HRC), ударяющей об поверхность готовой детали с большей скоростью (70 м/сек). Удары дробинок приводят к пластической деформации и наклепу поверхности деталей. Степень наклепа зависит от многих факторов: материала детали, вида предшествующей обработки, диаметра дроби и т.д. Например, термически обработанная рессора после наклепа имеет упрочненный слой толщиной 0,2 - 0,4 мм.

При накатывании деталей стальными роликами упрочненный слой получается толщиной несколько миллиметров.

При чеканке бойками малоуглеродистой стали при помощи механических или пневматических устройств можно получить упрочненный слой толщиной до 20 - 30 мм.

Гидроабразивный наклеп осуществляется действием струи жидкости с песком на поверхность деталей.

Понижение пластичности при наклепе используют для улучшения обрабатываемости резанием вязких и пластичных материалов (сплавов алюминия, латуней и др.).

Изменение механических свойств от степени пластической деформации для некоторых металлов приведено на рисунке 5.

Рисунок 5. Изменение механических свойств в зависимости от степени деформации: а) изменение механических свойств низкоуглеродистой стали в зависимости от вытяжки; б) изменение механических свойств меди в зависимости от степени деформации; в) изменение механических свойств алюминия в зависимости от степени деформации.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением.

4. Материал для силовых элементов конструкций (крепежные детали), работающих в высоко агрессивных средах (смеси растворов серной кислоты, хлоридов и сульфатов). Химический состав сплава, способ упрочнения, микроструктуру и механические свойства

Сплавы работающие в высоко агрессивных средах:

Химический состав в % материала:

Механические свойства при Т=20oС материала:

Обозначения:

sв - Предел кратковременной прочности,

sT - Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации),

d5 - Относительное удлинение при разрыве,

y - Относительное сужение,

KCU - Ударная вязкость,

HB - Твердость по Бринеллю.

Твердость 06ХН28МДТ Поковки ГОСТ 25054-81 HB 10 - 1 = 200 МПа

Размещено на Allbest.ru