Введение в материаловедение

Ферит – твердый раствор углерода в -железе. Феррит имеет ОКЦ решетку. Чисто ферритные области: AHN (1539 оС – 1392 оС) (высоко температурный феррит) и AGPQ (911 оС и до комнатной).

Аустенит – твердый раствор углерода в -железе. Имеет ГЦК решетку. Область чистого аустенита MIESG.

На диаграмме видно три горизонтальных линии, при температуре которых протекают нонвариантные рекации (С=0).

По линии HIB при Т=1499 оС протекает перетектическая реакция, в результате которой жидкость состава точки B взаимодействует с кристаллами феррита в точке Н с образованием кристаллов аустенита в точке I.

По линии ECF при Т=1147 оС протекает эвтектическая реакция, в результате которой жидкость в точке C распадается на аустенит в точке E и цементит. Механическая смесь аустенита и цементита в интервале T=1147 оС – 727 оС получила название ледебурит.

По линии PSK при Т=727 оС протекает эвтектоидная реакция, в результате которой аустенит в точке S распадается на феррит в точке P и цементит. Механическая смесь феррита и цементита получила называние перлит.

Эвтектика отличается от эвтектоида тем, что первая протекает с участием жидкой фазы. Вторая является результатом распада твердого раствора. В связи с тем, что при температуре меньше 727 оС аустенита быть не может, ледебурит видоизменяется и в интервале T=727 оС – 20 оС ледебурит – механическая смесь из перлита и цементита.

На диаграмме видны линии ограниченной растворимости (PQ и SE).

При Т=20 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,01% (в точке Q). При Т=727 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,02% (в точке P). Следовательно, при охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ОЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита третичного. Аналогичное наблюдается и при растворении углерода в ГЦК решетке, если при Т=727 оС (точка S) углерод составляет 0,8%, то при Т=1147 оС (точка Е) – 2,14%. При охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ГЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита вторичного. По химическому составу цементит первичный, вторичный и третичный не отличаются. Это для того, чтобы отличить цементит, выделившийся из жидкости, из аустенита и из феррита.

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталь. Стали подразделяются на доэвтектоидные, с содержанием углерода до 0,8% (феррит + перлит), эвтектоидные – 0,8% (перлит), заэвтектоидные –от 0,8% до 2,14% (перлит + цементит II). Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называют чугунами: доэвтектоидные –от 2,14% до 4,3% (перлит + ледебурит + цементит), эвтектический –4,3% (ледебурит), заэвтектический – от 4,3% до 6,67% (ледебурит + цементит I).

22. Углеродистые стали.

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталями. Помимо углерода в углеродистые стали при выплавке попадают посторонние примеси: обусловленные тезнологическими процессами (Mn, Si), невозможностью их удаления при плавке (P, S), случайными обстоятельствами (Ni, Cu). Если перечисленные элементы входят в больших количествах, чем предусмотренные ГОСТом на углеродистые стали, эти стали считают легирующими.

Влияние постоянных примесей на структуру с свойства стали.

К постоянным относятся Mn, Si, S, P и газы O, N, H. Верхний предел присутсвия S, P ограничивается 0,05%, Mn, Si – 0,08%.

Марганец вводят в сталь для раскисления, т.е. для устранения вредного влияния закиси железа FeO+MnMnO+Fe. При введении марганца происходит восстановление железа из закиси, тем самым несколько увеличиваются характеристики пластичности стали.

Кремний вводится для раскисления 2FeO+Si2Fe+SiO2.

Фосфор – вредная примесь, попадает в сталь вместе с рудой. Присутствие фосфора повышает порог хладноломкости стали, т.е. повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Его удаляют в процессе выплавки стали путем изменения состава шлаков и флюсов.

Сера – как и фосфор, попадает с рудой. Взаимодействуя с железом образует сульфид (FeS), входящий в состав эвтектики плавящейся при Т=988 оС. наличие легкоплавкой эвтектики приводит к охрупчиванию стали при температурах красного коления (800 оС). Это явление называют красноломкость. Введение в сталь марганца устраняет красноломкость в виду того, что марганец обладает большим сродством к сере, чем железо: FeS+MnMnS+Fe. В результате образуется сульфид марганца, который входит  состав эвтектики, плавящейся при Т=1620 оС.

Газы. Основные газы, которые попадают в сталь – O, N, H. O и N образуют оксиды и нитриты, которые охрупчивают сталь. Особенно вредно присутствие в стали H, который приводит к внутренним надрывам в металле с образованием, т.н. флокены. Устранение газов возможно при выплавке стали в электропечах или вакууме.

Способы производства стали.

Различают бессемеровский, кислородно-конверторный, мартеновский и способ выплавки в дуговых и индукционных печах.

Бессемеровский способ в настоящее время практически не применяется  в связи с низким качеством полученной стали. Сущность способа состоит  продувке жидкого чугуна воздухом. Кислород воздуха окисляет  углерод, доводя его содержание до количества, необходимого в стали. Низкое качество стали обусловлено тем, что в процессе продувки воздухом  сталь насыщается  азотом. Кроме того, вредные примеси (сера, фосфор) не удаляются.

В отличие от  бессемеровского способа, при кислородно-конверторном способе продувку жидкого чугуна осуществляется чистым кислородом. При этом, равно как и в мартеновском способе, в зависимости от состава шлаков и флюсов, футеровка печи бывает основной (магнезит, хромомагнезит) или кислой (динас).   Футеровку выбирают так, чтобы не проходила реакция  между шлаком и футеровкой. При основном процессе из стали в большей степени удаляется фосфор, в меньшей -- сера. Однако при этом сталь содержит большее количество газов. Более дорогой  кислый  процесс проводят в том случае, когда нужно получить  чистую по газам сталь.

Наиболее качественная сталь получается при выплавке в дуговых и индукционных печах.

В зависимости от степени раскисления различают стали спокойные, кипящие и полуспокойные. Спокойные стали получают при раскислении марганцем, алюминием, кремнием и обозначают СП. Кипящую сталь получают при раскислении только марганцем. Обозначают такие стали  КП. Полуспокойные стали  раскисляют марганцем и кремнием и обозначаются  ПС.

Углеродистые стали общего назначения (обыкновенного качества).

Потребителю с металлургических заводов стали поставляются в виде проката (ленты, прутки, швеллеры, трубы ). Раньше по  ГОСТу стали обыкновенного качества  поставляли по трем группам:

-             А - с  гарантированными механическими свойствами;

-             Б  - с  гарантированным химическим составом;

-             В  - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Стали маркировались : группа   А - Ст.0,Ст.1,..,Ст.6; группа   Б - с указанием способа выплавки - БСт.1,МСт.1 , где

Б - бессемеровский , а М - мартеновский способы выплавки; группа  В: - ВСт.1.

В соответствии с ГОСТом , вступившим в действие с 90 г., с учетом того, что стали выплавляют преимущественно электро-способами, стали обыкновенного качества маркируют просто Ст.1,..,Ст.6, где за цифрой может стоять способ раскисления: Ст.1КП. Ст.1ПС, Ст.1СП.

25. Основы теории термической обработки.

Под термической обработкой понимают изменение структуры, а следовательно, и свойств стали при нагреве до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с заданной скоростью.

При термической обработке сталей необходимо учитывать фазовые и структурные превращения, происходящие при различных скоростях нагрева и охлаждения. Диаграмма Железо-Углерод дает представление о фазовых и структурных превращениях при бесконечно малых скоростях нагрева и охлаждения. Иными словами на диаграмме представлены фазы и структурные составляющие в равновесном состоянии. Увеличение скорости охлаждения может тормозить протекание диффузионных процессов, а иногда и полностью их подавлять, поэтому реальные условия нагрева и охлаждения и обеспечивают ту или иную структуру сплавов.

Основные виды термической обработки.

К основным видам относятся отжиг, закалка и отпуск. Но прежде чем говорить об этих видах, необходимо ввести понятие критической точки. Критические точки обозначаются буквой А : А1 или    А3. А1 лежит на линии PSK, а А3 - на линиях GS и SE. Для того, чтобы

отличать критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении в первом случае перед цифрой ставят букву c – Аc1, а во втором - букву r – Аr1. Для того, чтобы отличать критические точки  А3  для доэвтектоидных сталей (GS) от  А3  заэвтектоидных (SE), в  первом случае пишут  Аc3  и  Аr3, а во втором -  Аcm и  Аrm.

Отжиг - фазовая перекристаллизация, которая происходит при нагреве стали выше  Аc3  с последующей выдержкой и медленным охлаждением. Если нет необходимости в полной перекристаллизации структурных составляющих, проводят нагрев стали выше точки  Аc1 (плюс выдержка и медленное охлаждение, процесс получил название неполный отжиг). Отжиг приводит структуру стали в состояние близкое к равновесному. Структура доэвтектоидных сталей после отжига - Ферит +  Перлит, эвтектоидной  стали - Перлит, заэвтектоидных - Перлит + Цементит.

Первое отклонение структуры от равновесного состояния происходит при нагреве стали выше точки  Аc3, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе - нормализация.

Закалка - нагрев стали выше критической точки  Аc3 с последующей выдержкой и быстрым охлаждением. При быстром охлаждении подавляются все диффузионные процессы и образуется новая структура, характерная для закаленной стали - мартенсит. Мартенсит - перенасыщенный твердый раствор углерода в - железе.

Отпуск - нагрев закаленной стали ниже точки  Аc1  с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. В практике обработки стали и других сплавов применяют также сочетания химических и термических воздействий (химико-термическая обработка). При химико-термической  обработке в процессе нагрева деталей в поверхность последних внедряют атомы других элементов. Например, если дополнительно обрабатывать сталь углеродом, то процесс называется цементацией; азотом - азотированием; одновременно азотом и углеродом - цианированием; хромом - хромированием, и т.д.

29. Мартенситное превращение

Мартенсит - является, структурой закаленной стали. Это пересыщенный твердый раствор Углерода в  - железе. С таким же содержанием углерода что и аустенит, из которого образуется мартенсит. В виду того, что атом углерода в ГЦК решетки аустенита остаются в тех же местах решетки мартенсита. Кристаллическая решетка последнего, искажается и становится тетрагональной.

              Тетрагональная решетка в отличие от кубической описывается 2-мя параметрами, параметр а и с.

Отношение c/a - называется степенью тетрагональности, (c/a)1.

Мартенсит образуется при резком переохлаждении аустенита ниже температуры начала мартенситного превращения. Процесс носит бездифузионный характер в отличие от перлитного и бенитного превращения. Образование мартенсита проходит практически мгновенно. Под микроскопом структура мартенсита выглядит как отдельные иглы, ориентированные под определенными углами  друг к другу. Количество превращенного в мартенсит аустенита зависит от процентного содержания углерода в стали. С увеличением процентного содержания углерода, положение точек начала и конца мартенситного превращения снижается область более низких температур, а при содержании углерода более 0,5%, точка конца мартенситного превращения снижается в область отрицательных температур. Поэтому, в структуре стали более 0,5%, после закаления, наряду с мартенситом, присутствует некоторое количество аустенита, который не превратился в мартенсит.

Этот аустенит называется аустенит остаточный. Если превышенное содержание углерода в стали, превышающее 0,5%, влияет на положение точек. Мн – начало мартенситного положения и Мк – конец мартенситного положения, то скорость охлаждения практически не влияет на расположение этих точек. Однако скорость охлаждения влияет на сам процесс превращения. Если стали охлаждения из аустенитной области и в интервале между температурами Мн и Мк дать небольшую выдержку, то во время этой выдержки будет образовываться дополнительное количество мартенсита. В связи с этим различают атермический и изотермический мартенсит. Первый образуется при непрерывном охлаждении до конца превращения. Второй – в процесс выдержки между Мн и Мк.

Твердость мартенсита зависит от содержания углерода, его кристаллической решетки и составляет величину порядка 60-65 HRCэквив. Твердость стали, зависит от скорости охлаждения из аустенитной области, определяющей тип структуры. Если проводить охлаждение со скоростью V1, то аустенит будет распадаться на ферито-циментитную смесь пластического строения, которая называется собственно-перлитной. Для стали У8  твердость собственного перлита составляет 250 НВ. С увеличение скорости охлаждения (V2,V3) происходит распад аустенита с образованием более дисперсных продуктов, представляет химическую смесь фирита и цементита так же пластичного строения. При скорости охлаждения V2 - образуется структура – сорбид. V3 - тростит, с твердостью 200НВ и 250НВ.

Если аустенит переохлаждать до температуры начала мартенситного превращения скорости V4 то, ни какого распада на ферито-цементитную смесь не происходит. Аустенит по бездифузионному механизму превращается в мартенсит. Скорость охлаждения V5 является касательной к перегибу с-образной кривой, называется критической скоростью закалки. Это минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит переохлаждается без распада до начала мартенситного превращения. Следовательно, при закалке сплавы необходимо охлаждать со скоростью выше критической.