рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Диаграмма состояния железо-графит

Диаграмма состояния железо-графит - раздел Связь, Материаловедение устанавливает взаимосвязь между составом, структурой свойством материалов     Процесс Образования Графита При Кристаллизаци...

 

 

Процесс образования графита при кристаллизации железоуглеродистых сплавов называются графитизацией.

 

Но над линией ECF находится линия E`C`F` (параллельно, выше на 6оС), а точка D` находится значительно выше (согласно более высокой температуре плавления углерода). Образование графита из жидкой фазы происходит при очень медленном охлаждении, когда степень переохлаждения жидкой фазы мала. Выделения графита происходит между линиями стабильной и метастабильной диаграмм. При охлаждении ниже 1147оС графит не выделяется. В жидком чугуне всегда присутствуют тугоплавкие нерастворённые включения (различные оксиды, карбиды, включения углерода и т.п.), которые способны играть роль готовых центров кристаллизации, что облегчает процесс графитизации. На процесс графитизации существенное влияние оказывает химический состав чугуна. Такие элементы, как кремний, никель, медь облегчают процесс графитизации. Наличие тугоплавких включений и графитообразующих элементов подобно снижению скорости охлаждения, что обуславливает возможность образования графита ниже 1147оС.

 

Если в чугунах весь углерод связан в цементит, то такие чугуны называются белыми. Чугуны, в которых весь углерод или его часть находится в виде графита, называются серыми. В зависимости от структуры основы серые чугуны бывают:

1) Перлитные

2) Серый ферритоперлитный чугун – количество связанного в цементит углерода

3) Серые ферритные чугуны (феррит+графит) – весь углерод в свободном виде

Механические свойства чугунов зависят от структуры основы, а также количества, формы и размеров графитных включений. Прочность и износостойкость чугунов возрастают при увеличении количества перлитной составляющей.

1) СЧ10-СЧ18 – применяют для слабо и средненагруженных неответственных деталей

2) СЧ20-СЧ25 (серые ферритоперлитные чугуны) – применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках в условиях износа

3) СЧ30-СЧ45 – применяют для ответственных деталей при высоких статических и динамических знакопеременных нагрузках

4) При повышенных температурах применяют жаростойкие чугуны, дополнительно легированные хромом и алюминием и жаропрочные чугуны, легируемые хромом, никелем и молибденом

Высокопрочные чугуны

В высокопрочных чугунах графит имеет глобулярную (шаровидную) форму. Это достигается модифицированием (микролегированием) магнием. По структуре основы высокопрочные чугуны бывают ферритные и перлитные.

Маркируются буквами ВЧ и цифрами (которые указывают на предел прочности при растяжении). Применяется для ответственных деталей, работающих при ударных знакопеременных нагрузках в условиях износа.

Ковкие чугуны

Ковкими называются чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. Образующийся хлопьевидный графит называется углеродом отжига, т.к. для производства ковких чугунов недопустимо протекание процесса графитизации при кристаллизации заготовок, они характеризуются пониженным содержанием углерода и кремния.

 

По структуре основы ковкие чугуны бывают перлитными, феррито-перлитными и перлитными.

Ковкие чугуны маркируются буквами (КЧ) и цифрами (пределы прочности растяжения и относительного удлинения). Применяется для особо ответственных деталей. Недостаток – высокая стоимость, обусловленная дорогой операцией отжига.


Теория термической обработки сталей

Под термической обработкой понимают совокупность операций нагрева до определённой температуры, выдержки при этой температуре и последующем охлаждением с заданной скоростью, которое приводит к изменению структуры, а, следовательно, и свойств материала. Целью любой операции термической обработки является то, чтобы нагревом, выдержкой и последующим охлаждением получить желаемые изменения в структуре материалов.

Основные операции термической обработки:

1) Отжиг - это операция термической обработки, в результате которой сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной

2) Закалка – это операция термической обработки, в результате которой сплавы приобретают неравновесную структуру. Закалке можно подвергать сплавы, которые испытывают структурные превращения в твёрдом состоянии, а именно переменная растворимость компонентов, полиморфные превращения, эвтектоидное превращение.

3) Отпуск – применяется к сплавам, испытывающим в процессе нагрева под закалку полиморфное превращение

4) Старение – это операции термической обработки, в результате которых структура предварительно закалённых сплавов приближается к равновесной (применяется к сплавам, неиспытывающим в процессе закалки полиморфного превращения)

При термической обработке имеют место неравновесные превращения. При термообработке стали имеют место взаимные превращения 3 фазовых составляющих:

1) Аустенит

2) Мартенсит

3) Перлит

 

Где римскими цифрами обозначены основные превращения:

1. Превращение перлита в аустенит, происходит при нагреве выше критической температуры А1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.

 

2. Превращение аустенита в перлит, происходит при охлаждении ниже А1, минимальной свободной энергией обладает перлит:

 

3. Превращение аустенита в мартенсит, происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

 

4. Превращение мартенсита в перлит – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

 

Первое основное превращение в сталях (перлит->аустенит (toC))

Кристаллы аустенита образуются на границе раздела феррита и цементита, где наиболее высока вероятность образования участков с концентрацией С(0,8%). Так как состав аустенита сильно отличается от состава цементита, превращение носит кристаллизационный характер и по механизму является диффузионным. Процесс превращения перлита в аустенит описывается с помощью диаграммы изотермического образования аустенита.

 

Рис. 12.3. Диаграмма изотермического образования аустенита: 1 - начало образования аустенита; 2 - конец преобразования перлита в аустенит; 3 - полное растворение цементита.


При нагреве выше линии PSK (727oC) какое-то время никаких фазовых превращений в системе не происходит и она находится в перлитной фазе. Кривая 1 характеризует начало образования зародышей аустенита на границе раздела феррита и цементита. Кривая 2 характеризует окончание превращения перлита в аустенит. После окончания превращения зёрна аустенита различаются по химическому составу. Те кристаллы, которые прилегали к цементитным зёрнам, содержат большее количество углерода по сравнению с кристаллами, прилегавшими к зёрнам феррита. Кривая 3 характеризует окончание процесса гомогенизации и правее неё существует аустенит гомогенный.

Области на диаграмме:

1. Инкубационный период

2. Перлит + аустенит

3. Аустенит негомогенный

4. Аустенит гомогенный

В реальных условиях температура начала превращения будет отличаться от равновесной и превращение будет происходить не при постоянной температуре, а в температурном интервале. Величина отклонения от равновесной температуры и температурный интервал превращения будут тем больше, чем выше скорость нагрева (видно на линиях V1 и V2). Непосредственно после превращения сталь состоит из большого количества аустенитных зёрен малого размера. При дальнейшем нагреве происходит рост аустенитных зёрен, что обусловлено стремлением системы к уменьшению запаса свободной энергии за счёт уменьшения границ раздела между зёрнами. В зависимости от кинетики роста зерна аустенита стали делятся:

1) Наследственно крупнозернистые – рост аустенитного зерна начинается практически сразу от температуры превращения

2) Наследственно мелкозернистые – нагрев до 1000oC практически не изменяет размера зерна, однако при более высоких температурах начинается интенсивный рост зерна

 

 

(http://rudocs.exdat.com/docs/index-373963.html?page=5, http://all4study.ru/proizvodstvo/termicheskaya-obrabotka-stalej-2-chast.html)

Второе основное превращение в сталях (аустенит->перлит)

При охлаждении аустенита ниже 727оС он становится неустойчивым и при определённых условиях распадается на ферритно-цементитную смесь. Распад аустенита обусловлен тем, что новое состояние является энергетически более выгодным для системы. С увеличением степени переохлаждения выигрыш в свободной энергии также увеличивается, что должно приводить к ускорению превращения. С другой стороны, вследствие того, образующиеся фазы сильно отличаются по химическому составу от аустенита, для протекания превращения необходима диффузионная подвижность атомов железа и углерода. Снижение температуры затрудняет процесс диффузии.

 

Процесс распада аустенита описывается диаграммой изотермического распада аустенита. Данная диаграмма строится на основании кинетических кривых, которые показывают количество распавшегося аустенита в зависимости от времени с момента охлаждения образца до заданной температуры.

 

 


 

В зависимости от температуры на диаграмме выделяют 3 области:

1) Область перлитного превращения

2) Область промежуточного превращения

3) Область мартенситного превращения

В области перлитного превращения диффузионная подвижность атомов железа и углерода >0. В области промежуточного превращения достаточной диффузионной подвижностью характеризуется углерод. В области мартенситного превращения диффузия железа и углерода =0. Область перлитного превращения – превращение носит кристаллизационный характер и по механизму является диффузионным. Ведущей фазой является цементит. Его зародыши образуются на границе раздела зёрен аустенита, где наиболее высока вероятность получения углерода. Из близлежащих участков аустенита к образовавшемуся зародышу цементита за счёт диффузии происходит перемещение атомов углерода. Объединяются углеродом и вследствие диффузии железа превращаются в феррит. Многократное повторение процесса при малой степени охлаждения, относительно температуры точки А1 углерод может диффундировать на большие расстояния, что обуславливают большую толщину пластинок феррита и цементита. При более низких температурах диффузия атомов затрудняется и образуется тонкая феррито-цементитная смесь, называемая сорбит. При более низких температурах образуется высокодисперсная феррито-цементитная смесь, называемая тростит. Таким образом перлит, сорбит и тростит имеют одинаковую природу (феррит+цементит), но различаются дисперсностью структуры.

Третье основное превращение в сталях – мартенситное превращение

При мартенситном превращении диффузионная подвижность атомов железа и углерода =0, поэтому данное превращение имеет бездиффузионный характер и не сопровождается перемещением атомов железа и углерода. При мартенситном превращении за счёт сдвига атомных плоскостей происходит превращение ГЦК-решётки аустенита в Тетрагонульную ОЦ-решётку мартенсита. Т.е. мартенсит имеет решётку подобную ОЦК, но длина ребра Ц больше длин рёбер А и В. Это вызвано тем, что мартенсит представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в альфа-железе с той же концентрацией, что и в аустените.

*Одна пара переписать*

В случаи медленного охлаждения стали из аустенитного состояния получается перлит, сорбит и тростит закалки, у которых карбиды имеют пластинчатую форму. При распаде мартенсита, имеющем место при нагреве, образуются перлит, сорбит и тростит отпуска, у которых карбиды имеют зернистую структуру.

Технология термической обработки

Принято выделять термическую обработку, химико-термическую обработку и термомеханическую обработку. Термическая обработка заключается в нагреве до определённой температуры, выдержки при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью в результате которых сплавы приобретают желаемую структуру. Непосредственно к термической обработке относятся:

1) Отжиг первого и второго рода

2) Закалка

3) Отпуск

Отжиг – это термическая обработка, заключающаяся в нагреве, выдержке и последующем медленном охлаждении, при которой фазовые превращения (если они имеют место) не оказывают влияние на конечное структурное состояние стали. Т.е. при отжиге первого рода фазовые превращения могут не происходить. К отжигу первого рода относятся:

1) Гомогенизация - проводится с целью устранения внутрикристаллической ликвации

2) Рекристаллизационный отжиг – заключается в нагреве холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации. Применяется как промежуточная операция между операциями холодной пластической деформации для снятия наклёпа или же, как конечная операция, для устранения наклёпа

3) Отжиг для снятия остаточных напряжений – применяется для снятия напряжений, возникающих в металле от предшествующих технологических операций

Отжиг второго рода заключается в нагреве сталей выше линии фазовых превращений с последующим медленным охлаждением. Если нагрев происходит выше точки АС3, то данный отжиг называется полным, если выше АС1, то неполным. Основная цель отжига второго рода – это перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений. Отжиг второго рода является первой операции термической обработки для подготовки структуры материала к последующим технологическим операциям. Отжиг также может быть и окончательной операцией термической обработки, если достигаемый комплекс свойств является достаточным. Для доэвтектоидных сталей обычно применяют полный отжиг, заключающийся в нагреве выше точки АС3 на 30-500С. Для заэвтектоидных сталей применяют неполный отжиг, заключающийся в нагреве выше точки АС1 на 30-500С. После отжига следует медленное охлаждение вместе с печью. Нормализация – это термическая обработка, при которой нагрев осуществляется выше линии АС3 для доэвтектоидных и выше линии АС1 для заэвтектоидных с последующим охлаждением на воздухе. В результате ускоренного охлаждения, по сравнению с отжигом распад аустенита происходит при более низких температурах, образующиеся структуры характеризуются большей дисперсностью, а следовательно и более высокими прочностными свойствами. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига как более дешёвую операцию. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска (как более дешёвую операцию). Для высокоуглеродистых сталей нормализация применяется для устранения цементитной сетки, образующейся при медленном охлаждении аустенита.

Закалка стали – это термическая операция, заключающаяся в нагреве стали выше линии фазовых превращений, выдержке, для завершения фазовых превращений и охлаждении со скоростью выше критической. Если нагрев осуществляется выше точки АС3 на 30-500С, то закалка называется полной. Если выше АС1 на 30-500С – неполной. Для доэвтектоидных сталей применяют полную закалку. Для заэвтектоидных сталей оптимальной является неполная закалка.

Виды закалки:

1) Закалка в одном охладителе – применяют для углеродистых и слаболегированных сталей

2) Прерывистая закалка (закалка в 2 средах)

3) Ступенчатая закалка – в качестве охладителя применяется вещество с температурой около 2500С

В качестве охлаждающих сред при закалке сталей наиболее часто применяется вода (водные растворы кислот и щелочей) и минеральные масла. В процессе закалки возникают внутренние напряжения, обусловленные неравномерным охлаждением поверхности и сердцевины изделия (тепловые напряжения), а также неодновременностью протекания мартенситного превращения по объёму изделия и увеличением объёма вследствие мартенситного превращения.

Закаливаемость – это способность стали приобретать наибольшую твёрдость в процессе закалки. Закаливаемость зависит от количества углерода в стали и от того, насколько полно углерод переходит в мартенсит в процессе закалки.

Прокаливаемость стали – это способность стали воспринимать закалку на определённую глубину. В зависимости от состава стали, структуры, условий нагрева/охлаждения.

Отпуск стали

Отпуск – термическая обработка, при которой в предварительно закаленных сплавах протекают превращения, приближающие их структуру к равновесной. В зависимости от температуры отпуск подразделяется:

1) Низкий отпуск (150-2500С/2-3 часа/мартенсит отпущенный + аустенит остаточный) – приводит к снятию внутренних напряжений, применяется, как правило, для инструментальных сталей, подшипников

2) Средний отпуск (350-4500С/1-2 часа/тростит) – приводит к некоторому снижению твердости и прочности, повышению пластичности. Применяется, как правило, для рессорно-пружинных сталей

3) Высокий отпуск (500-6000С/до 1 часа/сорбит) – достигается оптимальное сочетание прочности и пластичности. Применяется для большинства конструкционных сталей

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Материаловедение устанавливает взаимосвязь между составом, структурой свойством материалов

Лохтин Ю Н Материаловедение изд Москва Машиностроение... Гуляев А П Металловедение изд Москва Металлургиздат... Материаловедение под ред Арзомасова изд Москва Машиностроение...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Диаграмма состояния железо-графит

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Строение реальных кристаллов
  В зависимости от размеров, дефекты кристаллической решётки делятся на: 1) Точечные (0d) 2) Линейные (1d) 3) Поверхностные (2d) 4) Объёмные (3d)

Формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации
    - где точка пересечения графиков есть равновесная температура. Для каких-то данных условий процесс кристаллизации будет происходить при какой-то температуре

Строение слитков
  При медленном охлаждении с равномерным отводом тепла образуются кристаллы равноостные. Если же имеет место направленный отвод тепла, то происходит формирование древовидных кристалло

Углеродистые стали
90% углеродистые сплавы занимают в общей продукции чёрной металлургии. Кроме железа используется: 1) Углерод 2) Марганец 3) Кремний Примеси в сталях: 1)

Легирующие элементы в сталях
Все химические элементы в сталях, за исключением железа и углерода, можно разделить на 4 группы: 1) Постоянные примеси (кремний, марганец, алюминий, сера, фосфор) 2) Скрытые приме

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги