Металлические материалы 2 (стр. 2 из 4)

Наиболее характерные сплавы диаграммы:

– эвтектический сплав содержит 4,3% углерода, образуется при одновременной кристаллизации: аустенита и цементита и называется ледебуритом;

– эвтектоидный сплав содержит 0,81% углерода, образуется при одновременной кристаллизации феррита и вторичного цементита и называется перлитом.

В зависимости от содержания углерода (в %), железоуглеродистые сплавы получают следующие названия:

при содержании углерода до 0,81 – доэвтектоидные стали;

при содержании углерода 0,81 – эвтектоидные стали;

при содержании углерода 0,81-2 – заэвтектоидные стали;

при содержании углерода 2-4,3 – доэвтектические чугуны;

при содержании углерода 4,3-6,67 – заэвтектектические чугуны.

Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и аустенита в области VIII, а в области IX – из феррита и перлита (Рис. 5.3 – 1).Структура эвтектоидной стали, содержащей 0,81% углерода, состоит из перлита (Рис. 5.3 – 2) Структура заэвтектоидных сталей будет состоять из перлита и вторичного цементита. При медленном охлаждении вторичный цементит кристаллизируется по границам зерен перлита, образуя твердую и хрупкую оболочку, видимую под микроскопом в виде сетки (рис. 5.3. – 3). С увеличением содержания углерода меняется структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество феррита. Поэтому для области чугунов на диаграмме характерны такие структуры как цементит первичный и вторичный, ледебурит.

Основными структурными составляющими железоуглеродистых сплавов, являются следующие:

Феррит – твердый раствор углерода в a-железе с кубической объемно-центрированной кристаллической решеткой (рис. 5.3,а.). Предельная растворимость углерода в феррите при t=727 °С равна 0,02 %. С уменьшением температуры до 600 ⁰C растворимость углерода в феррите падает до 0,01 %. Феррит весьма мягок, пластичен (НВ = 100,d=30 %), магнитен до 768 °С.

На диаграмме состояния занимает область GPQG.

Аустенит – твердый раствор углерода в g-железе с кубической гранецентрированной решеткой (рис. 5.3,б). Предельная растворимость углерода в аустените равна 2,14% при t=1147⁰С. С уменьшением температуры до 727⁰С растворимость углерода в аустените падает до 0,81% (линия ES). Аустенит по сравнению с ферритом более тверд и пластичен (НВ=200, d=45 %), немагнитен. При дальнейшем охлаждении происходит распад твердого раствора с образованием феррита и цементита.

Цементит – очень тверд, но хрупок (НВ=800) имеет сложную кристаллическую решетку (Рис.5.3,в). Магнитен до 210⁰С. Различают:

а) Первичный цементит – Fe₃C_I, который выделяется при кристаллизации из жидкой фазы у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 4,3% (ниже линии ДС);

б) Вторичный цементит - выделяется при вторичной кристаллизации

в) Третичный цементит - Fe₃C_II_I, который выделяется при третичной кристаллизации из феррита у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,01% в интервале температур от 727⁰ до 0⁰С.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 0,01%, называются технически чистым железом. Структура их состоит из феррита и небольшого количества третичного цементита, располагающегося преимущественно по границам зерен феррита (область GPQ).

Перлит – эвтектоидная механическая смесь, состоящая из феррита и цементита. Образуется при распаде аустенита при температуре 727⁰С и содержании углерода 0,81%. Такое превращение аустенита в перлит называется эвтектоидным, а точка S называется эвтектоидной точкой. Перлит бывает пластинчатый и зернистый. Механические свойства перлита зависят от размеров и формы цементита. Твердость – НВ=160; δ=18%.

Ледебурит – механическая смесь, состоящая в интервале температур
1147⁰ … 727⁰С из аустенита и цементита, а ниже 727⁰С – аустенит, входящий в состав ледебурита – распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ=700), хрупок.

Рис 5.4. Диаграмма Железо-Углерод (ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ).

В строительных конструкциях сталь подвергается действию статических и динамических нагрузок, испытывая растяжение, сжатие, изгиб, удар и поэтому необходимо регулировать свойства сталей. Различают несколько видов упрочнения стали.

На аллотропных превращениях сплавов основана термическая обработка металлов. Термической обработкой металлов называется процесс, состоящий из нагрева металла до определенной температуры, выдержки при этой температуре и охлаждении с определенной скоростью. Температуры нагрева берут с диаграмм состояния сплавов. Термическая обработка стали основана на свойстве железа изменять строение кристаллической решетки при изменении температуры, а также различной растворимости углерода в кристаллических решетках разного строения. Существуют различные виды термической обработки: закалка, отпуск, отжиг, нормализация, цементация.

Закалка стали – это процесс нагрева до температуры Т_з=Т_кр+(30…50^оС), выдержки и резкого охлаждения стали от температуры 723-910⁰С до нормальной. Закалке могут быть подвергнуты лишь стали, содержащие свыше 0,25% углерода. При резком охлаждении стали в воде при температуре 723⁰С произойдет перекристаллизация гранецентрированной кристаллической решетки железа в объемно-центрированную, но структура перлита не образуется, т.к. атомы углерода, из-за быстрого повышения вязкости стали, не успевают выделяться из кристаллической решетки. Полученный пересыщенный раствор углерода в объемно-центрированной кристаллической решетке называется мартенситом. Эта структура неустойчивая, неравновесная, т.к. углерод стремится выделиться из кристаллической решетки и деформирует решетку, повышая при этом прочность и твердость стали и одновременно снижая ее пластичность и ударную вязкость.

Сталь, закаленная в воде (на мартенсит), обладает твердостью НВ=450-560 при нулевой ударной вязкости. Закалку на мартенсит производят для повышения твердости стали, применяемой в измерительных и режущих инструментах.

При медленном охлаждении стали: от состояния аустенита, после перекристаллизации атомы углерода успевают выделиться из объемно-центрированной кристаллической решетки железа и образовать цементит с размером зерен 10^-7-10^-8см. Смесь феррита с зернами цементита размером 10^-7-10^-8см называется троститом. Сталь со структурой тростита имеет твердость НВ=250-450. Сталь, закаленную на тростит, применяют для режущих и ударных инструментов.

Отпуск заключается в нагреве предварительно закаленной на мартенсит стали до определенной температуры, выдерживании при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. В результате отпуска сталь приобретает более высокую пластичность и ударную вязкость, чем сталь с той же структурой, полученной закалкой. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск производят нагревом закаленной на мартенсит стали до 180-250⁰С. При таком нагреве в стали, без изменения ее структуры, исчезают напряжения, возникшие при закалке на мартенсит. Отпуск, не снижая твердости, повышает ударную вязкость стали.

Средний отпуск осуществляются нагревом закаленной на мартенсит стали до температуры 250-400⁰С. В результате нагрева вязкость стали повышается, и избыточный углерод выделяется из объемно-центрированной кристаллической решетки железа. Происходит распад мартенсита. Сталь приобретает структуру тростита со всеми характерными для него свойствами. Особенностью структуры тростита, полученного в результате отпуска, является форма цементита в виде шаров-глобул. Сталь, в структуре которой цементит имеет глобулярную форму, обладает более высокой ударной вязкостью и пластичностью, чем сталь с цементитом, имеющим пластинчатую форму, которая образуется при закалке и медленном охлаждении стали.

Высокий отпуск заключается в нагреве закаленной на мартенсит стали до температуры 500-650⁰С. Образующиеся при этом зерна цементита размером 10^-5-10^-4см имеют форму глобул.

Полученная структура стали сорбита – отпуска обладает более высокой прочностью, твердостью и пластичностью, чем сталь, полученная при медленном охлаждении после плавки или проката. Поэтому высокий отпуск называют иногда улучшением стали и применяют при термическом упрочнении арматурной стали.

Отжиг заключается в нагреве стали до температуры, на 50⁰С выше
724-910⁰С, с последующим медленным охлаждением в печах. Существует отжиг на равновесное состояние, на мелкое зерно и т.д. Отжиг на равновесное состояние заключается в следующем: сталь с неравновесной структурой, полученной при закалке или отпуске, нагревают до температуры выше 724-910⁰С и затем медленно охлаждают. Все свойства, полученные сталью при закалке или отпуске, после отжига снимаются. Отжиг на мелкое зерно заключается в следующем. Структура стали, полученной литьем или после горячей обработки, например ковки, имеет крупнозернистую структуру, которая характеризуется пониженными механическими свойствами. При нагреве стали с крупным зерном до температуры 724-910⁰С и последующим медленным охлаждением происходит размельчение зерна.