Изометрическое превращение переохлаждённого аустенита в эвтектоидной стали. Устойчивость переохлажденного аустенита. Инкубационный пе

БИЛЕТ №7.

1. Изометрическое превращение переохлаждённого аустенита в эвтектоидной  стали. Устойчивость переохлажденного аустенита. Инкубационный период превращения.

 

 1.1. Изометрическое превращение переохлаждённого аустенита в эвтектоидной стали.   

    На  рис. 1 представлена диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода.   

    По  оси ординат откладывается температура. По оси абсцисс – время. 

    

    

    Рис. 1. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода    

    Для изучения изотермического превращения  аустенита небольшие образцы  стали нагревают до температур, соответствующих  существованию стабильного аустенита, т. е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например до +700, +600, +500, +400, +300 °C и т. д., и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от +727 до +250 °C (температуры начала мартенситного превращения – Мн). На диаграмме – две С—образные кривые. Кривая I указывает время начала превращения, кривая II – время конца превращения переохлажденного аустенита.

    1.2. Инкубационный период превращения.

      Период до начала распада аустенита  называют инкубационным. При +700 °C превращение аустенита начинается в точке а и заканчивается в точке b, в результате этого процесса образуется перлит. При температуре +650 °C распад аустенита происходит между точками а1 и b1 . В этом случае образуется сорбит – тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита. Сталь, в которой доминирует структура сорбита, имеет твердость 30–40 HRC. Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью.

    1.3 Устойчивость переохлажденного аустенита

    Устойчивость  аустенита в значительной мере зависит  от степени переохлаждения. Наименьшую устойчивость аустенит имеет при  температурах, близких к +550 °C. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита при температурах от + 550 до +560 °C – около 1 с. По мере удаления от температуры +550 °C устойчивость аустенита возрастает. Время устойчивости при +700 °C составляет 10 с, а при +300 °C – около 1 мин. При охлаждении стали до +550 °C (точки начала и конца распада – a2 и b2 соответственно – на диаграмме) аустенит превращается в троостит  смесь феррита и цементита, которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дисперсности составляющих и обладает повышенной твердостью (40–50 HRC), прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. Ниже температуры +550 °C в результате промежуточного превращения аустенита (в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенситного превращения) образуется структура бейнита, состоящая из смеси насыщенного углеродом феррита и карбидов (цементита). При медленном охлаждении аустенит превращается в перлит, а при большой скорости охлаждения переохлажденный аустенит полностью переходит в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения образуется новая структура – троостит. При наибольших скоростях охлаждения образуется только мартенсит, т. е. пересыщенный твердый раствор углерода в железе. Скорость охлаждения, при которой из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Аустенит, который сохраняется в структуре стали при комнатной температуре наряду с мартенситом, называют остаточным. Закаленные высоколегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые его почти не имеют.

2. Упругая и пластическая деформация металлов. Явление наклепа (нагартовки). Механизм разрушения металлов.

2.1.МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

      Когда на металлический образец действует  сила или система сил, он реагирует  на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца  в зависимости от вида и интенсивности  сил, называются механическими свойствами металла.

      Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как  полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под  деформацией понимается относительное  изменение размеров образца, вызванное  приложенными напряжениями.

2. 2. Наклеп

В процессе деформации пара движущихся дислокаций порождает  сотни и сотни новых, в результате этого плотность дислокаций повышается, что и приводит к упрочнению (повышению  предела прочности) - рис.3. 

Рисунок 3. Изменение прочности в зависимости от плотности дислокаций (высокопрочная сталь)

Упрочнение металла  под действием пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой.

Пластическая  деформация вносит существенные изменения  в строение металла. Кристаллическая  структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентировкой  зерен - текстурой.

Беспорядочно  ориентированные кристаллы под  действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль  направления деформации (рис.4).

С увеличением  деформации степень текстурованности возрастает и при больших степенях деформации достигает 100%, т.е. все зерна оказываются одинаково ориентированными.

Не следует  думать, что в результате деформации зерно измельчается. В действительности оно только деформируется, сплющивается и из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения. 

Рисунок 4. Изменение микроструктуры при пластической деформации поликристалла

3. УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ

      Если  напряжение, приложенное к металлическому образцу, не слишком велико, то его  деформация оказывается упругой  – стоит снять напряжение, как  его форма восстанавливается. Некоторые  металлические конструкции намеренно  проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая  деформация. В других случаях упругую  деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости: s = eE, где s – напряжение, e – упругая деформация, а E – модуль упругости (модуль Юнга). Модули упругости ряда металлов представлены в табл. 1.

Таблица 1
Металл	Вольфрам	Железо (сталь)	Медь	Алюминий	Магний	Свинец
Модуль  Юнга, 105 МПа	3,5	2,0	1,1	0,70	0,45	0,18

 

      Пользуясь данными этой таблицы, можно вычислить, например, силу, необходимую для  того, чтобы растянуть стальной стержень квадратного поперечного сечения  со стороной 1 см на 0,1% его длины:

F = ExAxDL/L = 200 000 МПа x 1 см² x 0,001 = 20 000 Н ( 20 кН)

      Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его  формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала.

      Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая  упругость, является предел текучести. У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать  гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести.

      Пластические  свойства металлического материала (в  отличие от упругих свойств) можно  изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными  методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние  текучести уже при напряжениях  порядка 40 МПа, тогда как предел текучести  сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько  процентов хрома и никеля, после  нагревания до 950° С и закалки может достигать 2000 МПа.

      Когда металлический материал нагружен с  превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для  дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а  также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая  металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий  часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые  стержни можно холодной прокаткой  или холодным волочением довести  до уровня твердости, который требуется  от окончательной продукции.

      Растяжение. Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения – график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной – напряжение (рис. 5). Хотя при растяжении поперечное сечение образца уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного сечения, а не к уменьшенной, которая давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице. На рис. 5 представлены кривые деформация – напряжение для двух материалов с неодинаковой пластичностью. (Пластичность – это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как одной, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование «шейки» (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения). Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.

Рис. 5. ДИАГРАММЫ РАСТЯЖЕНИЯ для двух металлов с разной пластичностью: сравнительно хрупкого (штриховая линия) и более пластичного (сплошная линия). Пределы текучести обоих металлов почти совпадают. Более хрупкий металл разрушается по достижении своего предела прочности при растяжении, а более пластичный – пройдя через свой предел прочности.

      Типичные  значения величин, характеризующих  прочность на растяжение ряда металлов и сплавов, представлены в табл. 2. Нетрудно видеть, что эти значения для одного и того же материала  могут сильно различаться в зависимости  от обработки.  
 
 

Таблица 2

Металлы и сплавы	Состояние	Предел  текучести, МПа	Предел  прочности на растяжение, МПа	Удлинение, %
Малоуглеродистая  сталь (0,2% С)	Горячекатанная	300	450	35
Среднеуглеродистая  сталь (0,4% С, 0,5%Mn)	Упрочненная и  отпущенная	450	700	21
Высокопрочная сталь (0,4% С, 1,0% Mn, 1,5% Si, 2,0% Cr, 0,5% Мo)	Упрочненная и  отпущенная	1750	2300	11
Серый чугун	После литья	–	175–300	0,4
Алюминий  технически чистый	Отожженный	35	90	45
Алюминий  технически чистый	Деформационно-упрочненный	150	170	15
Алюминиевый сплав (4,5% Cu, 1,5% Mg, 0,6% Mn)	Упрочненный старением	360	500	13
Латунь  листовая (70% Cu, 30% Zn)	Полностью отожженная	80	300	66
Латунь  листовая (70% Cu, 30% Zn)	Деформационно-упрочненная	500	530	8
Вольфрам, проволока	Тянутая до диаметра 0,63 мм	2200	2300	2,5
Свинец	После литья	0,006	12	30

      Сжатие. Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается при растяжении (рис. 6). Кривая соотношения между условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.

Рис. 6. ДИАГРАММЫ РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ. Кривая условного напряжения для сжатия проходит выше, чем для растяжения, только потому, что при сжатии поперечное сечение увеличивается, а не уменьшается.

      Твердость. Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают «индентор» (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды). Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести – это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая.

      Может сложиться впечатление, что в  металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и  твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат).

      Во-первых, материалам необходимо придавать форму  различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в  которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна  пластическая деформация. Если твердость  материала слишком велика, то для  придания ему нужной формы требуются  слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности  можно уменьшить, обрабатывая металлы  при повышенной температуре, когда  они становятся мягче. Если же горячая  обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленный нагрев и охлаждение).

      Во-вторых, по мере того как металлический материал становится тверже, он обычно теряет пластичность. Иначе говоря, материал становится хрупким, если его предел текучести  столь велик, что пластическая деформация не происходит вплоть до тех напряжений, которые сразу же вызывают разрушение. Конструктору обычно приходится выбирать какие-то промежуточные уровни твердости  и пластичности.