Вопрос 1. (Закономерности формирования структуры материала)
Под структурой понимается совокупность устойчивых связей тела, обеспечивающих… Макроструктура — строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольших увеличениях. Выявляет характер…
Типы кристаллов и их свойства. Металлические и ионные кристаллы. Ковалентные и молекулярные кристаллы. Полиморфизм кристаллических тел.
Молекулярные кристаллы.В узлах решетки находятся молекулы, между которыми действуют вандерваальсовы силы или водородные связи. Энергия… Ионные кристаллы.Структурные единицы - ионы, связанные между собой силами… Металлические кристаллы и связь.Большинство элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева относятся к металлам,…
Формирование структуры литых материалов. Первичная кристаллизация. Кривые охлаждения, критический размер зародыша. Ликвация.
Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух… Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к… Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время –…
Формирование структуры литых материалов. Форма и размер кристаллов. Модифицирование. Аморфное состояние материала.
Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.
Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется… Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с…
Формирование структуры литых материалов. Размер кристаллов при литье и способы их измельчения.
Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух… Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к… Экспериментально установлено, что чем больше зародышей в единице объема расплава, тем больше кристаллов образуется,…
Пластическая деформация монокристаллов и поликристаллов. Изменение структуры и свойств при пластической деформации.
Пластическая деформация поликристаллов. Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла путем… С ростом степени холодной пластической деформацииусиливаютсяпрочностные…
Влияние нагрева на структуру и свойства пластически деформированного металла. Текстура деформации.
Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная ориентация кристаллографических плоскостей и направлений в зернах.… После пластической деформации металл находится в термодинамически неустойчивом… Отметим, что достаточно резкое изменение механических свойств происходит в определенном интервале температур отжига, в…
Правило отрезков или правило рычага
Рассмотрим процесс кристаллизации произвольного сплава (рис.6.4) состава 50 % А и 50 % В при очень медленном охлаждении (когда успевают проходить…
Рис. 6.4. Кривая охлаждения сплава (а) и диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью в твердом…
Правило отрезков или правило рычага
Рассмотрим процесс кристаллизации произвольного сплава (рис.6.4) состава 50 % А и 50 % В при очень медленном охлаждении (когда успевают проходить…
Рис. 6.4. Кривая охлаждения сплава (а) и диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью в твердом…
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Компоненты диаграммы, изотермические превращения.
Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах
Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод,… Аустенит (обозначают A или ) – твердый раствор внедрения углерода в Fe. Имеет ГЦК – решетку,…
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Превращения в сталях в твердом состоянии при медленном охлаждении из области аустенита. Изменение свойств медленно охлажденных сталей в зависимости от содержания углерода.
(ЛЕКЦИИ смотреть)
Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей. Критические точки стали. Классификация стали по равновесной структуре (после отжига).
В современном машино- и приборостроении широкое применение находят стали, в которых помимо железа, угле рода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, чаще всего металлов. Эти добавки принято называть легирующими элементами, а стали, соответственно, легированными сталями. В качестве легирующих наиболее часто используют следующие элементы: Сг, №, Мп, 81, Мо, У, V, Т1, Со, М>. Реже используются А1, Си, В и некоторые другие. Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтек- тоидной и эвтектической реакций и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны так же, как и железо, взаимодействовать с углеродом, образуя карбиды, а также взаимодействовать друг с другом или с железом, образуя промежуточные фазы - интерме- таллиды.
Точки Чернова — критические температуры, при которых происходит изменеие фазового состояния и структуры стали при нагреве и охдаждении её в твёрдом виде. Установлены Черновым Дмитрием Константиновичем в 1868 году.[1] Чернов назвал их точками a, b, c и позднее в 1878 году была названа точка d. Открытие и изучение данного вопроса положило начало науке о термической обработке металлов.
· Точка a — точка темно-вишневого каления стали, ее значение по Чернову, состоит в том, что сталь будучи нагрета ниже данной температуры, не принимает закалки, как бы быстро она ни охлаждалась. Ее температурное значение примерно 950K .
· Точка b — сталь будучи нагрета ниже точки b, не изменяет своей структуры.
· Точка c — температура плавления стали.
· Точка d — температура до которой нужно быстро охладить сталь чтобы совершилась полная закалка. Приблизительно 470K .[2]
По равновесной структуре, т.е. по структуре после медленного охлаждения (отжига), различают доэвтекто-идную, эвтектоидную, заэвтектоидную и ледебуритную стали. Структура доэвтектоидной стали состоит из легированного перлита и легированного феррита. Эвтектоид-ная сталь имеетперлитную структуру. В заэвтектоидной стали кроме перлита имеются избыточные (вторичные) карбиды. В структуре ледебуритной стали имеются первичные карбиды, которые выделились из жидкого сплава. Следует отметить, что границы между этими сталями по содержанию углерода не соответствуют диаграмме Fe-Fe3C (0,8 и 2,14 % С), так как легирующие элементы сдвигают точки S и Е диаграммы влево. По этой причине в классификации появились ледебуритные стали. Как уже говорилось ранее, при большом содержании легирующих элементов возможно получение сталей, имеющих в равновесном состоянии ферритную или аустенитную структуру. Поэтому классификация должна быть дополнена ферритными и аустенитными сталями.[5, С.156]
По равновесной структуре стали в зависимости от содержания углерода подразделяют на техническое железо (С < 0,02 %), доэвтектоидные (0,02 < С < 0,8 %), эвтек-тоидные (С = 0,8 %) и заэвтектоидные стали (0,8 < С < 2,14 %).
17) Виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск. Термическая обработка сплавов, не имеющих превращений в твердом состоянии.
Термическая обработка – это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности с целью изменения внутреннего строения сплава и получения необходимых физико-механических свойств.
В основе термической обработки лежат фазовые превращения в твердом состоянии.
- первое превращение – это превращение перлита в аустенит, которое происходит при нагреве: П→А (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Изменение энергии фаз в зависимости от температуры
- второе превращение – это превращение аустенита в феррито-цементитные смеси разной дисперсности в зависимости от скорости охлаждения: А→Ф+Ц;
- третье превращение заключается в превращении аустенита в мартенсит А→М при быстром охлаждении (при закалке);
- четвертое превращение заключается в разложении мартенсита при отпуске закаленной стали (М → продукты распада).
Любой технологический процесс термической обработки состоит из определенных комбинаций этих четырех превращений.
Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура нагрева зависит от состава сплава и разновидности отжига; скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика – в пределах 30-200°С/ч.
Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры можно получить только в том случае, если в сплавах имеются превращения в твёрдом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твёрдых растворов, распад высокотемпературного твёрдого раствора по эвтектоидной реакции. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.
Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения (особенно – с эвтектоидным превращением). Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо из-за понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящей к измельчению зёрен, образующих эвтектоидную смесь.
^ Отпуск и старение – термические обработки, в результате которых в предварительно закалённых сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.
Сочетание закалки с отпуском или старением всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твёрдости, прочности, удельного электросопротивления) по сравнению с отожжённым состоянием.
Технологический прием «отпуск» используют применительно к сталям и сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (Al-бронзы, Ti-сплавы, ферритные стали).
Технологический прием «старение» - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (Al-сплавы, Ni-сплавы, аустенитные стали).
Термическая обработка сплавов, не имеющих превращений в твердом состоянии.
18) Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов в… Переменная растворимость компонентов в твёрдом состоянии даёт возможность значительно упрочнять сплавы путём…
Изменение механических свойств сплава в зависимости от температуры и времени старения.
Схема зависимости прочностных свойств от продолжительности старения при разных температурах (Т1 < Т2 < Т3).
Старение до достижения максимума прочностных свойств (восходящая ветвь кривых)…
Типы выделений при старении (структура свойства).
Так как распад пересыщенного раствора является диффузионным процессом, то степень распада, тип выделений из раствора, их дисперсность, форма и… Кроме того, на структуру состаренного сплава влияют примеси, температура… Зависимость структуры состаренного сплава от большого числа факторов и многостадийность процесса распада пересыщенного…
Типы выделений
Схема строения матрицы
Схема строения матрицы с полностью когерентным (а), частично когерентным (б) и некогерентным (в) выделениями.
…
Природно-мелкозернистые стали.
21) Виды термической обработки стали: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.…
Термокинетическая диаграмма стали (на примере стали У8). Критическая скорость охлаждения. Закономерности формирования структуры стали при перлитном превращении.
Посмотрим на термокинетическую диаграмму распада переохлажденного аустенита стали У8. С-образный пупок кривой - перлитное превращение. Если образуется перлит, то уже не будет никакой закалки с образованием мартенсита. Так вот, чтобы не попасть в этот перлитный распад, нужно до примерно 400 .C охладить быстрее чем за одну секунду, даже сердцевину. Далее, до 230 .C (начало мартенситного превращения) можно охлаждать за 100 секунд и никакого распада не пройдет. Даже нужно, поскольку углеродистые стали склонны хрупко трескаться при быстром протекании мартенситного превращения. Скорость охлаждения должна быть выше критической скорости закалки, но как можно более медленная, в этом случае минимально количество дефектов, таких как поводки и закалочные трещины.
Эти диаграммы показывают, что при малых скоростях охлаждения в углеродистой стали возможен распад аустенита только с образованием ферритно-цементитной структуры различной степени дисперсности — перлита, сорбита, троостита. Промежуточного превращения в углеродистой стали не происходит. При высоких скоростях охлаждения (выше vR) аустенит претерпевает только мартенситное превращение. В легированной стали присутствует помимо перлитной также бейнитная область, причем повышение скорости охлаждения способствует образованию бейнита. Бейнитное превращение не проходит до конца и в структуре стали после охлаждения будут присутствовать бейнит, мартенсит и остаточный аустенит. Для получения чисто мартенситной структуры охлаждение стали необходимо проводить со скоростью выше критической, при которой не протекают ни перлитное, ни бейнитное превращения.
Критическая скорость охлаждения (закалки) – это минимальная скорость охлаждения, при которой предотвращается диффузионный распад переохлажденного аустенита.
Закономерности формирования структуры стали при перлитном превращении.
При снижении температуры ниже 727°С скорость превращения увеличивается, достигает максимума при ~550°С и затем уменьшается, падая почти до нуля при… Скорость охлаждения влияет на структуру и свойства смеси феррит + цементит. В… Перлит — получается при медленном охлаждении, обычно вместе с обладающей тепловой инерцией массивной печью, то есть…
Термокинетическая диаграмма стали (на примере стали У8). Критическая скорость охлаждения. Закономерности формирования структуры стали при мартенситном превращении.
При разработке технологии термической обработки изделий из углеродистых и легированных сталей необходимо иметь представление о температурных интервалах протекания фазовых превращений при непрерывном охлаждении и о проходящих при этом в стали структурных превращениях. Эти представления можно получить с помощью термокинетических диаграмм, представляющих собой диаграммы, построенные в координатах «температура — время», на которые наносятся реальные кривые охлаждения и обозначаются области перлитного, бейнитного и мартенситного превращений конкретного состава стали (рис 8.13).
Посмотрим на термокинетическую диаграмму распада переохлажденного аустенита стали У8. С-образный пупок кривой - перлитное превращение. Если образуется перлит, то уже не будет никакой закалки с образованием мартенсита. Так вот, чтобы не попасть в этот перлитный распад, нужно до примерно 400 .C охладить быстрее чем за одну секунду, даже сердцевину. Далее, до 230 .C (начало мартенситного превращения) можно охлаждать за 100 секунд и никакого распада не пройдет. Даже нужно, поскольку углеродистые стали склонны хрупко трескаться при быстром протекании мартенситного превращения. Скорость охлаждения должна быть выше критической скорости закалки, но как можно более медленная, в этом случае минимально количество дефектов, таких как поводки и закалочные трещины.
Эти диаграммы показывают, что при малых скоростях охлаждения в углеродистой стали возможен распад аустенита только с образованием ферритно-цементитной структуры различной степени дисперсности — перлита, сорбита, троостита. Промежуточного превращения в углеродистой стали не происходит. При высоких скоростях охлаждения (выше vR) аустенит претерпевает только мартенситное превращение. В легированной стали присутствует помимо перлитной также бейнитная область, причем повышение скорости охлаждения способствует образованию бейнита. Бейнитное превращение не проходит до конца и в структуре стали после охлаждения будут присутствовать бейнит, мартенсит и остаточный аустенит. Для получения чисто мартенситной структуры охлаждение стали необходимо проводить со скоростью выше критической, при которой не протекают ни перлитное, ни бейнитное превращения.
Критическая скорость охлаждения (закалки) – это минимальная скорость охлаждения, при которой предотвращается диффузионный распад переохлажденного аустенита.
Закономерности формирования структуры стали при мартенситном превращении.
У мартенсита игольчатая микроструктура, высокая твердость и прочность, низкая пластичность.
Физический механизм образования мартенсита принципиально отличается от…
Термокинетическая диаграмма доэвтектоидной стали (на примере стали 45). Закономерности формирования структуры стали при бейнитном превращении.
При разработке технологии термической обработки изделий из углеродистых и легированных сталей необходимо иметь представление о температурных интервалах протекания фазовых превращений при непрерывном охлаждении и о проходящих при этом в стали структурных превращениях. Эти представления можно получить с помощью термокинетических диаграмм, представляющих собой диаграммы, построенные в координатах «температура — время», на которые наносятся реальные кривые охлаждения и обозначаются области перлитного, бейнитного и мартенситного превращений конкретного состава стали (рис 8.13).
25)
10* -С,С
Рис. 5.14. Термокинетическая диаграмма для стали 45:
По - поверхность; Це - центр
Эти диаграммы показывают, что при малых скоростях охлаждения в углеродистой стали возможен распад аустенита только с образованием ферритно-цементитной структуры различной степени дисперсности — перлита, сорбита, троостита. Промежуточного превращения в углеродистой стали не происходит. При высоких скоростях охлаждения (выше vR) аустенит претерпевает только мартенситное превращение. В легированной стали присутствует помимо перлитной также бейнитная область, причем повышение скорости охлаждения способствует образованию бейнита. Бейнитное превращение не проходит до конца и в структуре стали после охлаждения будут присутствовать бейнит, мартенсит и остаточный аустенит. Для получения чисто мартенситной структуры охлаждение стали необходимо проводить со скоростью выше критической, при которой не протекают ни перлитное, ни бейнитное превращения.
Бейнитное превращение включает следующие основные процессы: γ → α-перестройку решетки, перераспределение углерода, выделение карбида. Хотя бейнитное превращение было открыто более 40 лет назад, механизм его все еще остается дискуссионным.
Одна из возможных схем бейнитного превращения
Особенности мартенситного превращения в сталях. Структура и свойства мартенсита, температура начала и окончания мартенситного превращения в зависимости от количества углерода в стали.
Данное превращение имеет место при высоких скоростях охлаждения, когда диффузионные процессы подавляются. Сопровождается полиморфным превращением Feγ в Feα.
При охлаждении стали со скоростью, большей критической (V > Vк), превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения (Мн) и заканчивается при температуре окончания мартенситного превращения (Мк). В результате такого превращения аустенитаобразуется продукт закалки – мартенсит.
Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Feα.
При образовании мартенсита кубическая решетка Feα сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рисунок 1, позиция а). Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности: с/а > 1. Степень тетрагональности прямопролорциональна содержанию углерода в стали (рисунок 1, позиция б).
Механизм мартенситного превращения имеет ряд особенностей.
1. Бездиффузионный характер.
Превращение осуществляется по сдвиговому механизму. В начале превращения имеется непрерывный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентная связь). При превращении гранецентрированной кубической решетки в объемно-центрированную кубическую атомы смещаются на расстояния меньше межатомных, т.е. нет необходимости в самодиффузии атомов железа.
2. Ориентированность кристаллов мартенсита.
Кристаллы имеют форму пластин, сужающихся к концу, под микроскопом такая структура выглядит как игольчатая. Образуясь мгновенно пластины растут либо до границы зерна аустенита, либо до дефекта. Следующие пластины расположены к первым под углами 60 o или 120 o, их размеры ограничены участками между первыми пластинами (рисунок 2).
Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную энергию. При когерентном росте, из-за различия объемов аустенита и мартенсита, возникают большие напряжения. При достижении определенной величины кристаллов мартенсита, эти напряжения становятся равными пределу текучести аустенита. В результате этого нарушается когерентность и происходит отрыв решетки мартенсита от решетки аустенита. Рост кристаллов прекращается.
3.Очень высокая скорость роста кристалла, до 1000 м/с.
4. Мартенситное превращение происходит только при непрерывном охлаждении.
Для каждой стали начинается и заканчивается при определенной температуре, независимо от скорости охлаждения. Температуру начала мартенситного превращения называют мартенситной точкой МН, а температуру окончания превращения – МК. Температуры МН и МК зависят от содержания углерода и не зависят от скорости охлаждения Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % МК уходит в область отрицательных температур (рисунок 3).
Рисунок 3 — Зависимость температур начала (Мн) и конца (Мк)мартенситного превращения от содержания углерода в стали
5. Превращение необратимое.
Получить аустенит из мартенсита невозможно. Свойства мартенсита обусловлены особенностями его образования. Он характеризуется высокойтвердостью и низкой пластичностью, что обуславливает хрупкость.
Твердость составляет до 65 HRC. Высокая твердость вызвана влиянием внедренных атомов углерода в решетку α-фазы, что вызывает ее искажение и возникновение напряжений. С повышением содержания углерода в стали возрастает склонность к хрупкому разрушению.
Нормализация и закалка стали. Закалочные напряжения. Способы охлаждения при закалке.
Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения (особенно – с эвтектоидным превращением). Прочность возрастает либо вследствие… Нормализация (термообработка) — вид термической обработки стали, заключающийся… Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад…
Отпуск стали. Виды отпуска. Изменение структуры и свойств стали при отпуске.
Низкий отпуск достигается нагревом до температуры 150—250° С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. При выдержке во… Средний отпуск производят при 300—500° С. Твердость стали заметно понижается,… Высокий отпуск происходит при 500—600° С, его основное назначение — получить наибольшую вязкость при достаточных…
Химико-термическая обработка стали. Этапы диффузионного насыщения. Науглероживание стали в твердом карбюризаторе. Термическая обработка Цементированных деталей. Структура и свойства цементованного слоя.
29) Химико-термическая обработка стали. Этапы диффузионного насыщения. Азотирование стали: газовое, ионное. Технология азотирования. Структура и свойства азотированного слоя.
30) Нитроцементация стали. Термические способы упрочнения поверхности стали: закалка с нагрева токами высокой частоты. Структура и свойства упрочнённого слоя.