ЗМІСТ
ВСТУП
1.ЗВ’ЯЗОК ДІAГPAМ З ВЛACТИВОCТЯМИ CПЛAВІВ
1.1Види структур сплавів
1.2Залежність властивостей сплавів від їх складу
2.ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ ДІАГРАМИ ЗАЛІЗО-ВУГЛЕЦЬ
2.1Основні методи дослідження сплавів
2.2Діаграма стану “залізо-цементит”
ВИСНОВКИ
ЛІТЕРАТУРА
ВСТУП
Залежністьагрегатного та фазового станів сплавів від їх складу та температуривстановлюють експериментально за допомогою термічного аналізу — визначеннякритичних точок перетворень за кривими нагрівання (охолодження). У ряді випадківдля визначення критичних точок поряд із термічним аналізом застосовуютьметалографічний,
Діаграмоюстану сплавів називають графічне зображення залежності їх фазового складу відтемператури та концентрації за умов рівноваги.
Структураі властивості чистих металів суттєво відрізняються від структури і властивостейсплавів, що складаються з двох чи більшого числа металів.
Сплаваминазивають тверді речовини, отримані шляхом дифузії елементів у твердому,рідкому чи газоподібному станах. Залежно від числа елементів (компонентівсплаву) розрізняють двокомпонентні, трикомпонентні та багатокомпонентні сплави.Речовини, що входять до складу сплаву, при твердінні можуть знаходитися увигляді окремих частинок, зерен обох компонентів (механічна суміш), у вигляді хімічнихсполук чи взаємно розчинених один в одному компонентів (твердий розчин).
Заотриманими даними будують діаграми стану, які відображають зв’язок між станомсплавів, їх складом і температурою, а також фазові перетворення, яківідбуваються в сплавах під час нагрівання й охолодження.
Наоснові діаграми стану сплавів можна зробити висновки про властивості всіхсплавів. За допомогою діаграми стану можна вибрати температуру нагріваннясплаву в процесі термічної та хіміко-термічної обробки, оброблення тиском. Діаграмустану використовують також у ливарному виробництві для вибору оптимальноїтемператури розплавів при отриманні відливків, а також при виготовленнісплавів. Це робить дослідження діаграм металів та сплавів та їх зв’язку ізвластивостями сплавів дуже актуальним.
Завданнямироботи було:
— дослідити види структур сплавів;
— дослідити залежність властивостей сплавів від їх складу;
— показати основні методи дослідження сплавів
— показати зв’язок діаграми стану “залізо-цементит” із властивостями сталей.
Метоюнаступної роботи є дослідження діаграм стану сплавів та їх зв’язку ізвластивостями матеріалів.
1. ЗВ’ЯЗОК ДІAГPAМ ЗВЛACТИВОCТЯМИ CПЛAВІВ
1.1 Види структурсплавів
Сплавитипу механічної суміші утворюється з речовин, що не розчинюються і не вступаютьу хімічну взаємодію між собою у твердому стані з утворенням сполук. Такі сплавискладаються із суміші кристалітів речовин, які зберігають власні кристалічніграти. Властивості сплаву будуть визначатися співвідношенням компонентів, щовходять до його складу.
Сплавитипу хімічної сполуки утворюються при взаємодії різних речовин. Вмісткомпонентів при цьому повинен бути суворо визначеним. Кристалічні грати сплавувідрізняється від кристалічних гратів компонентів, тому мають інші механічні,фізичні та хімічні властивості.
Сплавитипу твердих розчинів бувають трьох видів: тверді розчини заміщення, твердірозчини проникнення і тверді розчини віднімання.
Твердірозчини заміщення утворюються в тих випадках, коли атоми речовини, щорозчиняється, заміщують в кристалічних гратах атоми розчинника (рис. 1а). Цеможливо, якщо компоненти мають однакові решітки, а розміри їх атомів маловідрізняються один від одного (не більше 15%).
Утвореннятвердих розчинів проникнення (рис. 1б) відбувається при розчиненні атомів якогосьелемента в кристалічних гратах розчинника, тобто коли атоми розчиненогоелемента проникають в грати розчинника в проміжках між його атомами. Якправило, тверді розчини проникнення утворюються з неметалами. При цьомупараметри кристалічних грат завжди збільшуються [1].
Твердірозчини віднімання (рис. 1в) утворюються тільки в сплавах, що містять хімічнісполуки, коли надлишкові атоми одного з компонентів займають суворо визначенімісця в кристалічних гратах, а місця, які повинні бути зайняті атомами іншогокомпонента, залишаються частково вільними, наприклад у гратах карбідів TiC, WC(місця, що належать вуглецю, залишаються вільними).
/>
Рис. 1.1. Схемарозподілу атомів у гратах твердих розчинів
Фазовийстан сплавів залежно від концентрації компонентів і температури зображуютьграфічно. Таке зображення фазового стану сплавів називають діаграмою стану.Оскільки діаграма стану показує стійкий стан системи (сукупність фаз, що знаходятьсяу рівновазі), то вона є діаграмою рівноваги фаз, існуючих при даних умовах.Стан сплаву, що зображується на діаграмі, належить до рівноважних умов безурахування перегріву чи переохолодження, чого в дійсності бути не може.Внаслідок цього діаграми стану являють собою ідеальний випадок. Математичнийопис загальних закономірностей існування стійких фаз, що відповідають умовамрівноваги, дав Гіббс. Цей опис має назву правила фаз і встановлює кількіснузалежність між ступенем вільності системи С, кількістю фаз Ф і компонентів К.
КомпонентамиК називають речовини, що становлять систему і здатні переходити з однієї фази віншу. Хімічно чистий елемент являє собою однокомпонентну систему.Однокомпонентною системою є й хімічна сполука, що не розкладається на складовічастини в інтервалі температур дослідної системи.
ФазоюФ називають однорідну частину системи однакового агрегатного стану і складу,відокремлену від інших фаз поверхнею поділу, перехід якої різко змінює хімічнийсклад чи структуру речовини. Наприклад, розплавлений метал є однофазноюсистемою, а сплав типу механічної суміші — двофазною і т. ін.
Підчислом ступенів вільності С системи розуміють число факторів (температура,тиск, концентрація), які можна змінювати без зміни числа фаз у системі.
Математичнийвираз правила фаз можна записати так:
С = К – Ф + 2,
тобточисло ступенів вільності рівноважної системи, на яку впливають температура ітиск, дорівнює числу незалежних компонентів системи мінус число фаз плюс два.Тиск при рівновазі не має впливу на процеси перетворення у сплавах, тому прививченні систем під атмосферним тиском можна користуватися правилом фаз, якезаписується так:
С = К – Ф + 1.
Цеозначає, що, не змінюючи агрегатного стану системи, можна змінювати температурурозплаву.
Прикристалізації металу число фаз дорівнює двом (рідка і тверда), а число ступеніввільності дорівнює нулю (С = 1 – 2 + 1 = 0). Це значить, що неможливо змінюватитемпературу і концентрацію системи без порушення рівноваги і зміни числа фаз дотих пір, доки не зникне одна з фаз і система не перетвориться в однофазну.
Діаграмастану показує зміну фазового стану сплаву від температури і концентрації припостійному тискові. Для двокомпонентної системи на вісі абсцис відкладаютьконцентрацію компонента (сума концентрацій компонентів дорівнює 100%), а навісі ординат — температуру. Такі діаграми будуютьза даними термічного аналізу (рис. 1.2), тобто спочатку будують кривіохолодження температура-час, а на нихвизначають температури перетворень за зупинками і згинами на цих кривих.
/>
Рис. 1.2. Перенесення точокзгину кривих T — t, отриманих за допомогою термічного аналізу, на діаграму температура — концентрація (прикладдля сплавів з небмеженою розчинністю): 1, 4- температура затвердіннячистих металів А і В; 2, 3 — сплави системи А і В
Надіаграмах стану крива ліквідуса — границя міжгомогенною областю рідкого (розплавленого) стану і гетерогенною двофазноюобластю (рідкий + твердий стан). Крива солідуса — границя між двофазною (рідка + тверда) областю і твердою фазою.
Характеристикасплаву потребує не тільки якісного, але й кількісного визначення йогоструктурних складових. Усі сплави однієї області діаграми стану мають якіснооднакову будову. Для визначення відносної кількості (маси) співіснуючих фаз іструктурних складових одного сплаву користуються правилом відрізків коноди [2].
Конода-це відрізок горизонтальної лінії, або ізотерма, проведена всередині двофазноїобласті діаграми стану до перетину з лініями границь двофазної області. Так,конода АЕ (рис. 1.3) проведена між вертикальною лінією для чистого компонента Аі лінією ліквідуса. Точка перетину коноди з лінією ліквідуса (точка Е) вказуєна склад рідкої частини сплаву. Спроектувавши точку Е на вісь концентрацій,можна визначити хімічний склад рідини, прочитавши на вісі концентрацій, скількипроцентів металу В (а потім і металу А) є в рідкому (розплавленому) сплаві приданій температурі.
/>
Рис. 1.3. Визначеннякількості складових сплаву за діаграмою стану
Нехайпотрібно визначити кількісне співвідношення між рідкою і твердою частиноюсплаву І — І при температурі />.
Яквидно (рис. 1.3), сплав при цій температурі складається з кристалів компонентаА і рідкого сплаву складу, що відповідає точці Е.
Введемопозначення: Qт — кількість(маса) твердої частини сплаву (в даному випадку кристалів A); Qр — кількість (маса) рідкої частини сплаву (в даному випадку складу Е); Qзаг-загальна кількість (маса) сплаву.
Загальнакількість сплаву буде дорівнювати сумі рідкої і твердої частин: Qзаг= Qр + Qт.
Заправилом відрізків коноди загальну масу сплаву прирівнюють до довжини коноди(АЕ при температурі />), і тодікількість рідкої фази Qр і кількість твердої фази Qтвизначається відрізками коноди /> і />, які утворилися приперетині коноди з лінією сплаву І — І.
Згідноз правилом відрізків коноди кількість рідкої фази дорівнює відношенню довжинивідрізка коноди, прилеглого до точки складу твердої фази, до довжини усієїконоди: Qр = />´100%(множення отриманого відношення АЕ відрізків на 100% дає можливість в процентахвиразити кількість рідкої частини сплаву).
Кількість(чи маса) твердої фази сплаву дорівнює відношенню довжини відрізка коноди,прилеглого до точки складу рідкої фази, до довжини всієї коноди:
Qт = />´100%.
Отже,для визначення кількості рідкої і твердої фаз сплаву за діаграмою станупотрібно зробити так:
1.Відновити перпендикуляр до точки, що характеризує склад даного сплаву (тобтопровести лінію сплаву).
2.При заданій температурі провести коноду — горизонтальну лінію (ізотерму) до перетину з лініями, що обмежують дануобласть.
3.Співвідношення між рідкою і твердою частинами сплаву буде обернено пропорційневідрізкам, на які лінія сплаву поділяє коноду.
4.Для визначення кількості твердої частини сплаву потрібно взяти відношеннядовжини відрізка, прилеглого до рідкої частини сплаву, до довжини всієї коноди.
5.Для визначення кількості рідкої частини сплаву потрібно взяти відношеннядовжини відрізка, прилеглого до твердої частини сплаву, до довжини всієїконоди.
Існуютьтакі типи подвійних діаграм стану [3].
1.Подвійна діаграма стану системи для випадку повної нерозчинності компонентів у твердомустані, утворення евтектики і повної розчинності компонентів у рідкому стані(рис. 1.4).
/>
Рис. 1.4. І — гомогенний розплав;ІІ – А-кристали і розплав; ІІІ — В-кристали і розплав; IV — А-кристали і евтектика; V – В-кристали і евтектика; 1 — доевтектичні сплави; 2-заевтектичні сплави; Е — евтектика
2. Подвійна діаграма станусистеми для випадку необмеженоі розчинності компонентів у рідкому і твердомустанах (рис. 1.5).
/>
Рис. 1.5. І — гомогенний розплав (С= 2; К = 2; Ф = l); ІІ — розплав і твердий розчин (С = 1; K = 2; Ф = 2); ІІІ — тверда фаза (С = 2) — твердий розчинзаміщення
3.Подвійні діаграми стану системи для випадку необмеженої розчинності компонентіву рідкому стані та обмеженої їх розчинності у твердому стані. Поділяються надіаграми з евтектикою (рис. 1.6.1) і перитектикою (рис. 1.6.2).
/>
Рис. 1.6.1. Подвійнадіаграма стану системи з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані іевтектичним перетворенням: І — розплав; ІІ –розплав + a-твердий розчин; ІІІ – розплав + b-твердий розчин; ІV — a‑твердий розчин; V — b-твердий розчин; VI — a- і b-тверді розчини
/>
Рис. 1.6.2. Подвійнадіаграма стану системи з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані іперитектичним перетворенням; позначення такі ж, як на рис. 6.1
Твердірозчини на базі решітки А-компонента позначаються a‑твердимирозчинами, на базі решітки В-компонента — b-твердимирозчинами. Вони можуть бути твердими розчинами проникнення чи заміщення.
4.Подвійна діаграма стану системи для випадку утворення інтерметалічних фаз. Узагальному вигляді інтерметалічна фаза позначається як AmBn .
Утворенняінтерметалічних фаз можливе:
а)при кристалізації з розплаву; решітки компонентів А і В визначають можливістьлише обмеженої розчинності; конгруентно плавкі сплави з температурним мінімумомна лінії ліквідуса;
б)в результаті перитектичного перетворення як наслідок реакції між двомарозплавами; неконгруентно плавкі сплави (так званий закритий максимум).
Інтерметалічнафаза поводить себе при твердінні, як чиста речовина (рис. 1.7).
/>
Рис. 1.7. І — розплав; ІІ — розплав + a-твердий розчин; III — розсплав + b-твердий розчин; IV — розплав + AmBn;V — a-твердий розчин; VI — b-твердий розчин; VII — a-твердий розчин + AmBn;VIII — b-твердий розчин + AmBn;IX — AmBn
1.2 Залежністьвластивостей сплавів від їх складу
Усплавах, які створюють одноманітні діаграми стану, властивості змінюютьсяідентично. Були розроблені спеціальні діаграми склад — властивість. Такідіаграми є цінним доповненням до діаграм стану сплавів, тому що вони для кожноїсистеми характеризують зміну тієї або іншої властивості сплаву в залежності відскладу. На рис.1.7.2. у верхньому ряду зображені діаграми стану, у середньому — діаграма зміни твердості, у нижньому — діаграма зміни електропровідності. Усплавах типу Рв-Sв (діаграма стану з механічними сумішами) властивостізмінюються прямолінійно від одного компонент до іншого.
/>
/>
Крімтвердості, міцності, електропровідності діаграми стану дають можливістьвизначити ливарні властивості, здатність піддаватися гарячій механічнійобробці, обробці різанням та ін. Величина перепаду температур між точкамиліквідус і солідус визначає ступінь ліквації та можливої неоднорідності сплаву;евтектичні сплави мають кращі ливарні властивості та оброблюваність різанням;сплави — тверді розчини, які добре обробляються тиском. Побудовоюкривих у координатах температура-час. Якщо при охолодженні сплаву в ньомувідбуваються фазові перетворення, які супроводжуються виділенням тепла, то накривій появляються горизонтальні ділянки або зломи. Такі зломи і горизонтальніділянки дають змогу визначити температуру перетворень. Для подвійних сплавівіснує чотири типи діаграм стану:
— діаграми стану механічних сумішей;
— діаграми стану з необмеженими твердими розчинами;
— діаграми стану з обмеженими твердими розчинами;
— діаграми стану з хімічними сполуками.
Розглянемодіаграму стану подвійних сплавів, компоненти яких у твердому стані утворюютьмеханічні суміші.
/>
Такоготипу діаграму утворює сплав свинець-сурма. Для побудови даної діаграмипобудуємо шість кривих охолодження для сплавів із вмістом сурми 5, 10, 13, 20,40 і 80 % (рис1.8.1.). На цих кривих охолодження ми бачимо по дві критичніточки (а, б, г, д, е) і тільки на одній кривій (в) для сплаву з 13 % однукритичну точку. Верхні критичні точки відповідають початку кристалізації, нижні– завершенню кристалізації.
Діаграмубудують так: відкладають у масштабі по абсцисі точки за складом сплавів,приймаючи, що ліворуч буде чистий свинець, а праворуч – чиста сурма. Повертикалі розмітимо шкалу температури і відкладемо критичні температуризазначених сплавів. Свинець має температуру плавлення 600 0К, сурма – 903 0К.Сполучивши нижні критичні точки, маємо пряму ДВЕ, а сполучивши верхні точки — криву АВС.
Вищелінії АВС усі сплави перебувають у рідкому стані. Лінія АВС називається лінієюліквідус. Нижче від лінії ДВЕ усі сплави перебувають у твердому стані. Вонаназивається лінією солідус.
Уточці В при вмісті 13 %, 87 % і при температурі 519 0К кристалізація свинцю тасурми відбувається одночасно; утворюється тонка механічна суміш кристалівсвинцю і сурми (двох фаз). Ця суміш називається евтектикою. Евтектика — сплав знайменшою температурою плавлення. Сплави, які містять менш як 13 %,називаються доевтектичними, а які містять більше як 13 % — заевтектичними.Точку В називають евтектичною точкою.
Узагальнюючивикладене, можна зробити такі висновки:
— по лінії АВ починається випадання кристалів свинцю;
— в області АВД містяться кристали свинцю і рідкий розчин;
— по лінії ВД кристалізується весь маточний розчин евтектичного складу;
— нижче лінії ВД містяться тверді доевтектичні сплави, які складаються зкристалів свинцю та евтектики;
— по лінії ВС починається випадання кристалів сурми;
— в області СВЕ містяться кристали сурми і рідкий розчин;
— по лінії ВЕ кристалізується весь маточний розчин евтектичного складу, щозалишається;
— нижче від лінії ВЕ містяться тверді заевтектичні сплави, які складаються зкристалів сурми та евтектики.
сплаватом розчин сталь
2. ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУДІАГРАМИ ЗАЛІЗО-ВУГЛЕЦЬ
2.1 Основні методидослідження сплавів
Наданому етапі для дослідження всіх властивостей металів розроблені відповідніметодики та устаткування.
Длядослідження механічних властивостей використовують механічні випробування.Найбільш поширеними є випробування на твердість, статичний розтяг, динамічнівипробування, на втомленість, повзучість та зношування, які свідчать провластивості металів.
Статичні- це такі випробування, при яких метал, що випробовують піддають дії постійноїсили або сили, яка зростає дуже повільно.
Динамічниминазивають випробування, при яких метал піддають впливу удару або сили, яказростає дуже швидко. Статичне випробування на розтяг — поширений спосібмеханічних випробувань металів. Для цього випробування виготовляються спеціальнізразки, які розриваються на спеціальних розривних машинах. На розривних машинаходержують діаграму розтягу, по якій можна визначити: межу текучості, межуміцності, відносне видовження і відносне звуження.
Межеютекучості називається найменше напруження, при якому без помітного збільшеннянавантаження продовжується деформація досліджуваного зразка.
Межутекучості визначають за формулою:
Gт= Pт / F0,
деPт — навантаження текучості;
F0- поперечний переріз робочої частини зразка до випробування.
Умовненапруження, яке відповідає найбільшому навантаженню, що передує руйнуваннюзразка, називається межею міцності і визначається за формулою:
Gв= Pв / F0,
деPв — навантаження, що передує розриву зразка.
Повідносному видовженні і звуженні оцінюють пластичність металів. Відносневидовження і звуження вимірюють у відсотках (%).
Відносневидовження визначають за формулою:
G= l1 – l0 / l0 · 100(%),
деl1 — довжина зразка після розриву; l0 — довжина зразка до розриву.
Відноснезвуження визначають за формулою:
Х=F0– F1 / F0 ·100(%),
деF0 — початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка; F1 — площапоперечного перерізу після розриву.
Твердістьвизначають за такими методами: методом Брінелля, методом Роквелла, методомВіккерса.
МетодБрінелля заснований на вдавлюванні твердої кульки у досліджуваний метал.Твердість по Брінеллю розраховується за формулою:
НВ= Р/F
деP — навантаження на кульку; F — величина поверхні відбитка.
Принципвимірювання твердості по Роквеллу заснований на вдавлюванні у досліджуванийметал стальної кульки Ø = 1,58 мм або конуса з кутом 1200.
МетодВіккерса дає можливість вимірювати твердість як м¢яких так і дуже твердихметалів і сплавів. Він придатний для визначення твердості тонких поверхневихшарів. За цим методом у зразок вдавлюють чотиригранну алмазну піраміду з кутомпри вершині 1360.
Крімцього, для визначення механічних властивостей металів використовують таківипробування:
— випробування на ударний згин;
— випробування на втомленість.
Випробуваннятехнологічних властивостей найбільш прості. Вони визначають можливістьпроводити ті чи інші технологічні операції з даним металом або застосовуватийого у тих чи інших умовах. З них найбільш поширеними є випробування: навдавлювання, на перегин, на іскру, зварюваність, ковкість, рідинотекучість таін.
Длядослідження мікро- і макроструктури, а також визначення вад внутрішньої будовиметалів, використовують такі методи: макроаналіз, мікроаналіз,рентгеноструктурний аналіз, магнітна дефектоскопія, застосування радіоактивнихізотопів тощо.
2.2 Діаграма стану“залізо-цементит”
Щобдобре розумітися на мікроструктурах залізовуглецевих сплавів, потрібно ретельновивчити діаграму “залізо-цементит”.
Діаграмастану Fe–F3С (залізо — цементит) репрезентована на рис. 2.2. На вісіабсцис на діаграмі наведений вміст вуглецю і цементиту. Кількість цементиту всплаві дорівнює 15-кратному вмісту вуглецю.
Надіаграмі є вісім однофазних ділянок: на лівій вісі ординат відрізок ANвідповідає a(d)-залізу,відрізок NG — g-залізу,відрізок нижче точки G — a-залізу.
/>
Рис. 2.2. Діаграма стану“залізо-цементит”
Оскількикожна з цих модифікацій заліза взаємодіє з вуглецем, то діаграму стану можнарозглядати як триповерхову, що складається з частин І, ІІ, ІІІ (рис. 2). Всімодифікації заліза утворюють з вуглецем тверді розчини проникнення. В областіAHN твердий розчин вуглецю в a-залізі — ферит (Ф) (іноді позначають d-твердийрозчин). В області AJESG твердий розчин вуглецю в g-залізі-аустеніт (А). В області GSO твердий розчин вуглецю — в низькотемпературній модифікації a-заліза (Ф).
Розчинністьвуглецю в a-залізі вельми незначна, притемпературі 600°С становить близько 0,01%.
Уg-залізірозчинність вуглецю доходить до 2,14%.
Праваордината DFKL діаграми Fe–Fе3С (рис. 2) відповідає цементиту.Область вище лінії ліквідус ABCD відповідає рідкому стану (Р).
Складнийвид діаграмми Fe–Fе3С пояснюється тим, що залізо володієполіморфними перетвореннями у твердому вигляді. Поліморфізм заліза обумовлює іполіморфні перетворення в залізовуглецевих сплавах.
Узалізовуглецевих сплавах можливі три перетворення, за яких число ступенівсвободи дорівнює нулю, тобто має місце співіснування трьох фаз.
При1499°С (лінія HJB, Р + d ®А) має місце перитектичне перетворення (рис. 2.2).
При1147°С (лінія ЕСF, Р4,3 ® Е (А + Ц) — ледебурит (Л)) має місце евтектичне перетворення.
Урезультаті евтектичного перетворення утворюється евтектична суміш аустеніту іцементиту, яка називається ледебуритом.
При727°С (лінія РSK, А0,8 ® Е (Ф + Ц) — перліт) має місце евтектоїдне перетворення.
Якрезультат цього перетворення утворюється евтектоїдна суміш фериту і цементиту,що називається перлітом.
Зіставляючиструктури типових залізовуглецевих сплавів (рис. 2.3 і 2.4), їх можна розділитина дві групи: сплави з вмістом вуглецю до 2,14% не мають у структурі евтектики — ледебуриту; у сплавах з вмістом вуглецю вище 2,14% є ледебуритна структурнаскладова.
/>
Рис. 2.3.Мікроструктури сталей: а — С = 0,05 %,структура Ф + ЦІІ; б — С = 0,15 %,доевтектоїдна сталь, структура Ф + П; в — С = 0,35 % доевтектоїдна сталь, структура Ф + П; г — С = 0,8 %, евтектоїдна сталь, структура — пластинчастий перліт П; д — С = 0,8 %,евтектоїдна сталь, структура — зернистийперліт П; е — С = 1,2%, заевтектоїдна сталь,структура П + ПІІ; (´500)
Відсутністьу структурі сплавів (з вмістом вуглецю менше 2,14%) крихкої евтектики робитьсплави ковкими і пластичними, що є характерною особливістю сталей. У той же часнаявність легкоплавкого ледебуриту в структурі сплавів (з вмістом вуглецю вище2,14 %) збільшує ливарні якості цих сплавів.
Відповіднодо діаграми Fe–Fе3С залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю менше2,14% називаються сталями, сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 % — чавунами. Чавуни, що кристалізуються відповідно до діаграми Fe–Fе3С,відрізняються високою крихкістю. Колір їх злому сріблясто-білий. Такі чавуниназиваються білими (на відміну від сірих, ковких і високоміцних чавунів, уструктурі яких вуглець в основному знаходиться у вигляді графітової фази) [6].
Закількістю вуглецю і за структурою сталі поділяються на: доевтектоїдні (0,02%
Закількістю вуглецю і за структурою білі чавуни поділяються на доевтектичні(2,14%
/>
Рис. 2.4.Мікроструктури білих чавунів: а — С = 3,2% — доевтектичний білий чавун;структура Л + П + Ц; б — структура — ледебурит Л; в — С = 5% — заевтектичнийбілий чавун, структура Л + ЦІ; (´250)
Структурачавунів залежить від ступеня графітизації, тобто від того, яка кількістьвуглецю, що входить до складу чувуну, знаходиться в хімічно зв’язаному стані (Сзв,%) у вигляді цементиту. Крім білих чавунів, за цією ознакою ще розрізняють:
половинчастічавуни: Сзв > 0,8%; структура чавуну — перліт + + ледебурит + графіт (П + Л + Г);
перлітнісірі чавуни: Сзв = 0,8%; структура – перліт + графіт (П + + Г);
феритно-перлітнісірі чавуни: 0,8% > Сзв > 0,02 %; структура — перліт + ферит + графіт (П + Ф + Г);
феритовісірі чавуни: Сзв = 0%; структура — ферит + графіт (Ф + Г).
Впливтермічної та хіміко-термічної обробки на властивості та структуру сталей єнаступним [7].
Термічноюобробкою називають процес, що складається з нагріву металу до відповідноїтемператури, витримки його при цій температурі і охолодження з певноюшвидкістю. При термічній обробці змінюється структура сталі, що веде до зміниїї властивостей. Таким чином, шляхом термічної обробки сталі одного и того жскладу можна змінювати її властивості.
Термічнаобробка сталі грунтується на здатності заліза змінювати будову кристалічноїрешітки при зміні температури, а також на різній розчинності вуглецю вкристалічних решітках різної будови [8].
Існуютьтакі види термічної обробки: гартування, відпуск, відпал, нормалізація іхіміко-термічна обробка (цементація, азотування, ціанування).
Найбільшіструктурні перетворення сталі відбуваються при гартуванні. Від усіх інших видівтермічної обробки гартування відрізняється високою швидкістю охолодження.Залежно від швидкості охолодження загартована сталь має різну структуру: сорбітну, троститну або мартенситну.
Сорбітнаструктура складається з суміші фериту і цементиту високого ступенядисперсності, що приводить до підвищення твердості й крихкості сталі. Підмікроскопом сорбітна структура має вид феритно-цементитної структури, одначерозмір зерен в ній значно менший.
Трооститнаструктура cкладається також із суміші фериту й цементиту високого ступенядисперсності. У металографічному мікроскопі трооститна структура проявляється увигляді дуже темних ділянок. Сталь трооститної структури значно твердіша ібільш крихка, ніж сорбітна.
Мартенситнаструктура сталі значно відрізняється від сорбітної й трооститної структур.Мартенсит є перенасиченим твердим розчином вуглецю в a-залізі.Його кристалічна решітка має значні зміни, що обумовлюють найвищу твердість ікрихкість сталі. Під мікроскопом загартована на мартенсит сталь має голчастуструктуру.
ВИСНОВКИ
Зв'язок між властивостями сплавів ітипом діаграми стану був вперше встановлений М.С. Курнаковим.
По осях ординат діаграм відкладаютьпоказники властивостей (границю міцності, твердість, електричний опір та ін.),а по осях абсцис — концентрацію сплаву.
Усплавах, які твердіють за діаграмою стану І типу, в твердому стані міститьсямеханічна суміш вихідних компонентів. Зміна властивостей цих сплавіввідбувається за лінійним законом.
Властивостісплавів, які тверднуть за діаграмою стану II типу (які утворюють твердірозчини), змінюються по кривій лінії. Це зумовлено тим, що внаслідоквикривлення кристалічної решітки розчинника твердий розчин має більш високуміцність і твердість, ніж вихідні компоненти. Таким чином, тверді розчини маютьпідвищене значення твердості і границі міцності. При цьому високі показникиміцності звичайно поєднуються з високою пластичністю. Тому сплави, якіутворюють однорідні тверді розчини, звичайно легко обробляються тиском(прокатування, кування, штампування). У той самий час вони мають низькі ливарнівластивості (схильні до утворення тріщин при кристалізації). Утворення твердихрозчинів завжди призводить до збільшення електричного опору.
Приутворенні твердих розчинів з обмеженою розчинністю (кристалізуються задіаграмою стану III типу, див. рис. 1.6) властивості однофазних твердихрозчинів змінюються за кривою, а властивості суміші двох фаз — за прямою.
Ливарнівластивості сплавів, які утворюють тверді розчини з обмеженою розчинністю,залежать від інтервалу температур кристалізації. Чим більший цей інтервал, тимменша текучість сплаву і тим більша його схильність до ліквації. Тому дляодержання добрих ливарних властивостей концентрація компонентів сплавів повиннабути близькою до евтектичного складу.
Однофазнісплави твердих розчинів з обмеженою розчинністю мають високу пластичність ідобре прокатуються, куються, пресуються. Проте при появі у структурі евтектикипластичність різко знижується.
Характерноюособливістю властивостей сплавів, які кристалізуються за діаграмою сплаву IVтипу, є велика твердість, підвищена крихкість, високий електричний опір, низькасхильність до пластичної деформації. Властивості залежать від складу по прямійлінії (в ряді випадків по кривій). Дві прямі перетинаються у точці, якавідповідає чистій хімічні сполуці і називається сингулярною точкою.Концентрація, яка відповідає хімічній сполуці, має максимум або мінімум властивостей(наприклад, максимальну твердість і мінімальну пластичність).
Твердістьбагатьох хімічних сполук значно перевищує твердість більш твердого компонента.Наприклад, Sn і Mg, Cu і Sn утворюють дуже тверді хімічні сполуки Mg2Sn,Cu3Sn тощо. Особливо різко підвищується твердість при утворенніхімічних сполук деяких металів з металоїдами — С і N. Карбіди Сг, W, V, Ті таінших металів мають дуже високу твердість. Через це дані хімічні сполуки широкозастосовуються для виготовлення різального інструменту.
ЛІТЕРАТУРА
1.Материаловедение: Учебник для вузов / Ю.Л. Солнцев, Е.И. Пряхин, Ф. Войткун — М.: МИСИС, 1999. — С. 128-170.
2.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших техническихучебных заведений. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990. — C. 37-67.
3.Венецкий С.И. Рассказы о металлах. — 2-е изд., доп. — М.: Металлургия, 1975. —240 с.
4.Волчок И.П. Сопротивление разрушению стали и чугуна. — М.: Металлургия, 1993. —192 с.
5.Конструкционные материалы: Справочник. / Б.Н. Арзамасов, В.А. Прострем, И.А.Буше и др. / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 1990. — 688с.
6.Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей:Справочник. / Под общ. ред. В.Д. Кальнера. — М.: Машиностроение, 1984. — 384 с.