Материал: шпоры материаловедение

Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо - цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита), а пунктирными - диаграмма состояния железо - графит {стабильная).

Компоненты системы железо и углерод - элементы полиморфные. Основной компонент системы - железо.

Диаграмма состояния Fe - Fе3С (рис. 1) является комбинацией диаграмм простых типов. На ней имеются три горизонтали трехфазных равновесий: перитектического (1496°С), эвтектического (1147°С) и эвтектоидного (727°С). Линия ABCD - линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF - линия конца кристаллизации сплава (солидус). В области диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD - жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3%С и температуре 1130°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь - ледебурит. Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С (чутуны). Точка Е- соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,0%С). На диаграмме состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого разграничения - возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените): • стали - до 2,14% С, не содержат ледебурита; • чугуны - более 2,14% С, содержат ледебурит. В зависимости от содержания углерода (%) железоуглеродистые сплавы получили следующие названия: СТАЛИ : • менее 0,83 - доэвтектоидные стали; • 0,83 - эвтектоидные стали; • 0,83...2 - заэвтектоидные стали; ЧУГУНЫ : • 2...4,3 - доэвтектические чугуны; • 4,3...6,67 - заэвтектические чугуны.

№19. Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) содержит менее 0.05% углерода и минимальное количество примесей других элементов. Получается прямым восстановлением чистых руд, а также с применением электролитического или карбонильного процессов.

ВСЁ ДРУГОЕ В 18 вопросе

*(к 20-му билету)

№20. Превращения в железоуглеродистых сплавах

Диаграмма состояния Fe-Fe3C показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.

Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограни-ченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF).

Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации в другую и за счет изменения растворимости углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe-Fe3C происходят следующие изотермические превращения:Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °C) ,ЖС> (АЕ+ЦF); Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °C), AS > (ФР + ЦК) .Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом (П). Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Л пр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (HB 700) и хрупкость.Перлит содержит 0,8 % углерода. В зависимости от формы частичек цементит бывает пластинчатый и зернистый. Является прочной структурной составляющей с твердостью (HB210).ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.CD – линия выделения первичного цементита.

AE – заканчивается кристаллизация аустенита.ECF – линия эвтектического превращения.GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 °C).GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.PSK – линия эвтектоидного превращения.ES – линия выделения вторичного цементита.PQ – линия выделения третичного цементита.Области диаграммы состояния Fe – Fe3C

№21. Сталь-это сплав железа с углеродом,где углерода <2,14%. Кроме железа и углерода в стали содержаться случайные и постоянные примеси. Углерод сильно влияет на структуру и свойства стали.

Согласно диаграмме Fe-Fe3C

Стали с содержанием углерода с содержанием С-0,8% имеют структуру П=Фα+ЦII

C<0,8% имеют структуру Фα+П

С>0,8% имеют структуру ЦII+П Во всех выше приведенных структурных сталях содержится определенная доля цементита.Процентное содержание цементита в сталях изменяется пропорционально содержания в сталях углерода. Цементит повышает твердость и прочность сталей. С увеличением количества в сталях С(углерода), повышается их прочность, твердость и уменьшается их пластичность и вязкость.

К постоянным примесям в сталях относятся: Марганец(Mn-0,8%); Кремний(Si-0,5%); Фосфор(Р-0,05);

Сера(S-0,05%), а также газа (азот,кислород,водород).

Марганец и кремний относятся к полезным примесям, которые улучшают прочностные свойства стали.

Р,S-относятся к вредным примесям. Большое содержание в сталях (Р,S) делает сталь хрупкой и не пригодной для обработки резанием. Однако не в больших количествах (Р,S) улучшает обработку резанием.

№22. Конструкционная сталь

Качественные конструкционные стали маркируются словом «Сталь» и двухзначным числом указывающее процентное содержание углерода в стали в сотых долях %.(Сталь45, 0,45%С).

Как конструкционные стали по процентному содержанию в них углерода подрозделяются на:

1.Низкоуглеродистые, с содержанием <=0,25%С(Сталь10…..Сталь25)

2.Среднеуглеродистые, с содержанием от 0,3 до 0,5%С

3.Высокоуглеродистые, с содержанием от 0,6 до 0,85%С.

В высокоуглеродистых сталях-стали с содержанием С от 0,7-0,85 перекрывается инструментальными углеродистыими сталями.

Из низко углеродитых сталей изготавливают листы проволку и т.д.

Средне углеродистые изготавлшивают детали с высокой прочностью(оси,влы,шатуны и т.д.)

С высокоуглеродистых сталей изготавлшивают детали работаюшии при высокой нагрузки.Строительные конструкционные стали, применяются для изготовления металлических конструкций и сооружений, а также для арматуры железобетона. Капитальное строительство является вторым по масштабам после машиностроения потребителем стали. Строительные конструкционные стали применяют для изготовления металлоконструкций зданий, сооружений, мостов, кранов, вагонов, машин, эстакад, бункеров и т.п. Эти стали должны иметь определенное сочетание прочных и пластичных свойств, высокую вязкость, коррозионную стойкость, малую склонность к хрупким разрушениям, а также обладать хорошими технологическими свойствами:свариваемость, обрабатываемость, способность к гибке, плавке и т.д.

Механические конструкционные стали, предназначены для изготовления различных деталей машин, механизмов и отдельных видов изделий. В машиностроении потребляется около 40 % от производства в стране стали, и по числу марок конструкционные стали являются самыми многочисленными. В зависимости от условий эксплуатации, а они в отдельных машинах и механизмах сильно различаются, требования к сталям будут неодинаковые.

№24 Инструментальная сталь

Инструментальная качественная сталь подразделяется на углеродистую и легированную.Углеродистая инструментальная сталь изготовляется согласно ГОСТ 1435-74 . Стали этой группы маркируются буквой У и цифрой ,указывающей процентное содержание углерода в десятых долях %(У7—0,7%С, У12—1,2%С)

Иногда в конце марки стали ставится буква А указывающая ,что данная сталь очищена от вредных примесей.

Термообработка этих сталей –закалка--неполная+низкий отпуск.Структура этих сталей после отпуска –мартенсит отпуска.

Инструментальная сталь, углеродистая или легированная сталь для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов холодного и горячего деформирования, а также деталей машин, испытывающих повышенный износ при умеренных динамических нагрузках (шарико- и роликоподшипники, зубчатые колёса, ходовые винты в высокоточных станках и др.). Стали У7 (доэвтектоидная ферритно-перлитная) и У8, У8А (эвтектоидные) наиболее пластичные из углеродистых инструментальных сталей. Они идут на производство молотков, стамесок, долот, зубил.Из сталей У 10, У11, У11А изготавливают резцы, сверла, метчики, фрезы, плитки и прочий мерительный и режущий инструмент для резания мягких материалов. Стали У12, У13, У13А используются для изготовления инструмента, работающего без ударных нагрузок (напильники, рашпили, бритвы).Инструментальная сталь имеет основные свойства, имеющие значение практически для всех видов инструментов являются: твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость, прокаливаемость. Кроме того, для некоторых видов инструмента большое значение имеют такие свойства, как теплопроводность, разгаростойкость, окалиностойкость, устойчивость против схватывания и налипания, некоторые механические свойства и др.

№25 Чугу́н — сплав железа с углеродом (содержанием более 2,14%). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количеству цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок. Мировое производство чугуна в 2007 составило 953 млн тонн (в том числе в Китае — 477 млн тонн).

Виды чугунов: Белый чугун.В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна - перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.Серый чугун.Серый чугун это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5%) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.Ковкий чугун.Ковкий xугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит.Высокопрочный чугун.Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.Половинчатый чугунВ половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8%) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна - перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

№26 Чугун серый — сплав железа с графитом, который присутствует в виде пластинчатого или волокнистого графита. Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Серые чугуны согласно ГОСТ 1412-85 маркируются двумя буквами – Сч(серые чугуны) и цифрой указывающей величину временного сопротивления на разрыв В

Серые чугуны по структуре и свойствам подразделяются на ферритные(Cч10) и ферлитно-перлитные(Cч15,Cч18 и т.д.). Из серых ферритных чугунов изготавливают отливки для неответственных деталей, а именно строительный молот, фундаментные плиты и т.д.

Ф-П чугуны используют для изготовления станков, блоков автомобилей и тракторов.

Перлитные серые чугуны Cч21, Cч24, Cч30, Cч35 0,8%С. Из этих чугунов изготавливают отливки для ответственных деталей, а именно поршни, цилиндры, работающие на износ в условиях повышенного давления.

.

№27-28. К специальным чугунам относятся высокопрочные и ковкие чугуны. Высокопрочные чугуны получают путем введения в жидкий чугун магния, который способствует образованию графита в виде шариков. По структуре металлической основы высокопрочные чугуны подразделяются на: 1)Ферритные; 2)Ферритно-перлитные; 3)Перлитные. «Вч»—высокопрочный чугун. Вч–36 – . Иногда по старым ГОСТам, после букв «Вч» ставится цифра через «–». Вч36—5 – величина относительного удлинения в %. Вч идут на изготовление коленчатых валов, тормозных колодок.

Ковкий чугун получают путем длительного графитизирующего отжига белого доэвтектического чугуна. В результате изотермической выдержки при отжиге происходит переход цементита в графит (хлопьевидный). По структуре металлической основы ковкие чугуны такие же как и «Вч». Маркировка—«Кч» – ковкий чугун. Кч56–6. 56–величина предела прочности при растяжении в ; 6–величина относительного удлинения в %. Изготавливают фланцы, втулки, коленвалы и др. Ковкий чугун не куется в силу своей большой пластичности. Ко́вкий чугу́н — условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна отливкой и дальнейшей термической обработкой. Используется длительный отжиг, в результате которого происходит распад цементита с образованием графита, то есть процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим. Высокопрочный чугун — чугун, имеющий графитные включения сфероидальной формы.

Графит сфероидальной формы имеет меньшее отношение его поверхности к объему, что определяет наибольшую сплошность металлической основы, а, следовательно, и прочность чугуна. Изделия и трубы из Высокопрочного чугуна отличаются высокой прочностью, долговечностью, высокими эксплуатационными свойствами. Высокопрочный чугун - чугун, в котором углерод присутствует в виде шарообразного графита.

№29 Улучшение - термообработка стали, состоящая из закалки и высокого отпуска. Стали, которые можно подвергать улучшению, называются улучшаемыми (0.3-0.6% С). Структура, получаемая в результате улучшения: сорбит. Виды термической обработки

Среди основных видов термической обработки следует отметить:

Отжиг (гомогенизация и нормализация). Целью является получение однородной зёренной микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита.

Дисперсионное твердение (старение). После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.

Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.

№30 Процесс превращения перлита в аустенит протекает путем зарождения в перлите многочисленных зерен аустенита и последующего их роста. Процесс заканчивается, когда зерна аустенита полностью заполняют объем исходного перлитного зерна (см.рис.4). Размер образовавшихся аустенитных зерен (начальное зерно аустенита) будет намного меньше исходного перлитного зерна.

При дальнейшем повышении температуры зерна аустенита растут путем перемещения границ, а число зерен естественно уменьшается.

Склонность к росту зерна аустенита при нагреве у разных сталей различна. Если сталь содержит в своем составе только Si и Mn, то зерно начинает расти уже при сравнительно невысоких температурах 800 – 9000.

№34 При понижении температуры ниже А1 происходит распад аустенита на феррит и цементит. Этот процесс идет по разному в доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталях, но сущность его одна

А ® Ф+Ц

Процесс распада аустента на феррит и цементит носит диффузионный

характер, так как сопровождается перемещением атомов углерода на сравнительно большие расстояния. Естественно, для этого требуется определенное время, и дисперсность продуктов распада будет зависеть от степени переохлаждения или скорости охлаждения.

Рассмотрим процесс распада аустенита на примере эвтектоидной стали. Это превращение состоит из трех этапов:

1. Перегруппировка атомов из решетки аустенита (ГЦК) в решетку феррита (ОЦК);

2. Выделение мельчайших частичек цементита;

3. Рост частиц цементита пластинчатой формы в феррите

Таким образом, при медленном охлаждении эвтектоидной стали формируется структура пластинчатого перлита. Увеличение скорости охлаждения приводит к понижению критических точек по сравнению с равновесной диаграммой - распад аустенита будет происходить не при температуре 7230, а несколько ниже. При этом скорость диффузии уменьшается, частички цементита не успевают вырасти, твердость повышается. Структуры с более мелкими частичками цементита (по сравнению с цементитом перлита) называются сорбитом и троститом. Условия образования продуктов распада аустенита и их свойства условно можно представить в следующем виде.