Лекции по материаловедению
Подождите немного. Документ загружается.
По структуре высокопрочный чугун может быть ферритным,
ферритно-перлитным или перлитным (рис.7.7).
Рис. 7.7. Микроструктура высокопрочного чугуна, (х 300): а – ферритный;
б - ферритно-перлитный; в – перлитный
Шаровидный графит – менее сильный концентратор напряжений,
чем пластинчатый графит, и поэтому меньше снижает механические
свойства основы. Чугуны с шаровидным графитом обладают более
высокой прочностью и некоторой пластичностью. Маркируют
высокопрочные чугуны по пределу прочности и относительному
удлинению (таблица 7.2).
Таблица 7.2
Механические свойства некоторых высокопрочных чугунов
(ГОСТ 7293-85)
Чугун
в
, МПа , % НВ Структура
металлической
основы
ВЧ 38-17
ВЧ 42-12
ВЧ 50-7
ВЧ 60-2
ВЧ 80-2
ВЧ 120-2
380
420
500
600
800
1200
17
12
7
2
2
2
1400-1700
1400-2000
1710-2410
2000-2800
2500-3300
3020-3800
Феррит с
небольшим
количеством
перлита
Перлит с
небольшим
количеством
феррита
Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники,
эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Из них
изготовляют оборудование прокатных станов (прокатные валки массой 12
т), кузнечно-прессовое оборудование (траверса пресса, шабот ковочного
73
молота), в турбостроении – корпус паровой турбины, лопатки
направляющего аппарата, в дизеле-, тракторо- и автомобилестроении –
коленчатые валы, поршни и многие другие ответственные детали,
работающие при высоких циклических нагрузках и условиях изнашивания.
В некоторых случаях для улучшения механических свойств
применяют термическую обработку отливок; для повышения прочности –
закалку и отпуск при 500-600
о
С; для увеличения пластичности – отжиг,
способствующий сфероидизации перлита.
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную
форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. По этой
причине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой
графит, в отличие от пластинчатого, меньше снижает механические
свойства металлической основы, вследствие чего ковкий чугун по
сравнению с серым обладает более высокой прочностью и пластичностью.
Отливки из белого чугуна, подвергаемые отжигу на ковкий чугун,
изготовляют тонкостенными. Они не должны иметь сечение более 50 мм,
иначе в сердцевине при кристаллизации выделяется пластинчатый графит,
чугун становится непригодным для отжига.
По структуре металлической основы, которая определяется режимом
отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными (рис. 7.8).
Рис. 7.8. Микроструктура ковких чугунов, (х 300): а – ферритный; б –
ферритно – перлитный; в - перлитный
Отжиг на ферритные чугуны проводят по режиму 1 (рис. 7.9),
обеспечивающему графитизацию всех видов цементита белого чугуна.
Перлитный ковкий чугун получают отжигом, который проводят в
окислительной среде по режиму 2 (рис. 7.9).
74
Рис. 7.9. Схема отжига белого чугуна на ковкий: 1 – на ферритный;
2 – на перлитный
Графитизация цементита перлита практически не происходит, чугун
приобретает структуру, состоящую из перлита и углерода отжига.
Отсутствие литейных напряжений, которые полностью снимаются во
время отжига, компактная форма и изолированность графитных
включений обусловливают высокие механические свойства ковких
чугунов. Принцип их маркировки тот же, что и высокопрочных чугунов :
КЧ
в
- (таблица 7.3).
Таблица 7.3
Механические свойства некоторых марок ковких чугунов (ГОСТ 1215-79)
Чугун
в
, МПа , % НВ Структура
металлической основы
КЧ 30-6
КЧ 35-10
КЧ 37-12
КЧ 45-7
КЧ 60-3
КЧ 80-1,5
300
350
370
450
600
800
6
10
12
7
3
1,5
1000-1630
1000-1630
1100-1630
1500-2070
2000-2690
2700-3200
Феррит + (10-3 %)
перлита
Перлит + (20-0 %)
феррита
Из таблицы видно, что ферритные чугуны имеют более высокую
пластичность, а перлитные – более высокую прочность и твердость.
75
Ковкие чугуны нашли широкое применение в сельскохозяйственном,
автомобильном и текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно- и
дизелестроении. Из них изготовляют детали высокой прочности,
работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать
ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого
чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок;
хорошие литейные свойства исходного белого чугуна – отливки сложной
формы.
Недостаток ковких чугунов – повышенная стоимость из-за
продолжительного дорогостоящего отжига.
8. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Свойства сплавов определяются его структурой (внутренним
строением), которая зависит от температуры нагрева и скорости
охлаждения. Основной способ изменить структуру, а, следовательно,
свойства – это термическая обработка.
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.
8.1. Четыре основные превращения в сталях
В сталях основными являются три структуры: аустенит – твердый
раствор углерода в γ – Fe [Fe
γ
(С)]; мартенсит – пересыщенный, частично
упорядоченный твердый раствор углерода в α – Fe [Fe
γ
(С)]; перлит –
эвтектоидная смесь феррита и цементита [Fe
α
+ Fe
3
С]. Переход из одной
структуры в другую характеризует основные превращения при
термической обработке:
- первое превращение – это превращение перлита в аустенит,
которое происходит при нагреве: П→А (рис. 8.1).
76
F
t, C
T
0
A
1
F
A
I
II
F
n
IV
F
m
III
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.
8.2. Превращения в стали при нагреве - образование аустенита (I
превращение)
Превращение П → А - процесс кристаллизационного типа и
подчиняется закономерностям кристаллизации, т. е. зарождаются центры
новой фазы (А) и они растут (рис. 8.2). Перекристаллизация перлита в
аустенит сопровождается размельчением зерен. Размер зерен вновь
образовавшегося аустенита, который называется начальным, не зависит от
размера исходного зерна, а зависит от степени дисперсности фаз в перлите.
Чем выше дисперсность, тем мельче получается аустенитное зерно.
Превращение П→А носит диффузионный характер и
сопровождается значительным перемещением атомов углерода.
77
A
A
A
A
a) б) в) г)
Начальное зерно
Fe
3
C
α
α
Fe
3
C
Fe
3
C
γ
Рис. 8.2. Превращение перлита в аустенит: а - зарождение новой фазы
аустенита в зерне перлита; б, в - рост фазы аустенита и степень
растворения цементита (Fe
3
С) в аустените Fe
γ
(С); г - получение
гомогенного начального зерна аустенита
Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов:
- полиморфного Fe
α
→ Fe
γ
превращения;
- растворения цементита (Fe
3
С) в аустените Fe
γ
(С).
Превращение П→А может идти изотермически при температуре
727–°С (см. рис. 7.1, т. А
с1
и при непрерывном нагреве (рис. 8.3)
V
3
V
2
V
1
0.1 1
10
100 1000 τ,c
700
740
780
820
860
1
2
3
4
1
2
3
4
П
Н
К
P
Г
A
A
1
=727
t, C
III
a
II
a
А П
x
a
A
Ц
Рис. 8.3. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит для
стали с 0,8 % С
78
Процесс перехода П →А при непрерывном нагреве со скоростью V
1
и V
2
(рис. 8.3) изучают путем построения диаграммы изотермического
образования аустенита. Образцы нагревают до температур выше А
1
последовательно и выдерживают сплав при этих температурах, фиксируя
начало и конец превращения;
Н - начало превращения П→А;
К - конец превращения П→А;
Р - конец растворения углерода в аустените;
Г - конец гомогенизации аустенита.
Из диаграммы (рис. 8.3) видно: время превращения П→А зависит
существенно от степени перегрева (нагрева выше А
1
).
С увеличением перегрева уменьшается размер критического
зародыша аустенита, увеличивается скорость возникновения зародышей и
скорость их роста, происходит измельчение зерна стали, что используется
в практике термической обработки (отжиг, закалка). При обработке токами
высокой частоты (ТВЧ) можно получить очень мелкие зерна аустенита.
Влияние нагрева на продолжительность (τ
прев
) превращения
показывают лучи скоростей V
1
и V
2
. При меньшей скорости нагрева (V
1
<
V
2
< V
3
) (рис. 8.3) превращение происходит при более низких
температурах, за больший промежуток времени.
В доэвтектоидных сталях при нагреве от А
1
до А
3
происходит
превращение избыточного феррита в аустенит (рис. 8.4).
В заэвтектоидных сталях при нагреве от А
1
до А
ст
происходит
растворение цементита вторичного (Fe
3
С) в аустените (рис. 8.4). При этом
выравнивается концентрация углерода и укрупняется зерно аустенита. С
повышением температуры нагрева, в результате собирательной
рекристаллизации, аустенитное зерно растет (рис. 8.4). Крупные зерна
растут, поглощая мелкие. Скорость роста зерен при перегреве зависит от
способа выплавки стали, полноты раскисления и наличия легирующих
элементов. Природным зерном называется зерно аустенита, образующееся
после трехчасовой выдержки при 930°С.
79
t, C
G
П + Ф
Перлит
П+Ц
II
Ц
II
А
A
с
т
S
A
3
A
E
Ф А
A
1
0.45 0.8 1.2
Содержание С,
Рис. 8.4. Часть диаграммы Рис. 8.5. Схема изменения размера
«железо-углерод» зерна перлита в зависимости
от нагрева в аустенитной области
По склонности к росту аустенитного зерна стали делят на две
группы: наследственно-крупнозернистые и наследственно -
мелкозернистые.
При последующем охлаждении стали зерна аустенита не
измельчаются. Размер зерна при комнатной температуре называется
действительным зерном и зависит от температуры нагрева,
продолжительности выдержки, склонности стали к росту зерна при
нагреве. Это необходимо учитывать при назначении режимов термической
обработки. Температура нагрева под закалку для доэвтектоидной
стали не должна превышать: А
3
+ (30…50°С) (рис. 8.4). Для
заэвтектоидной стали не должна превышать А
1
+ (30...50°С). Нагрев
заэвтектоидной стали до температуры, значительно превышающий А
3
и
А
сm
, приводит к образованию крупного действительного зерна. Такой
нагрев называют перегревом.
Нагрев до еще более высоких температур в окислительной
атмосфере сопровождающийся образованием по границам зерен окислов
железа с частичным оплавлением, называется пережогом.
Перегрев и пережог являются браком при термической обработке.
Причем перегрев можно исправить охлаждением и последующим
повторным нагревом до необходимой температуры, а пережог является
неисправимым браком. Свойства стали зависят от размеров
действительного зерна.
Мелкозернистые стали имеют значительно более высокую вязкость,
несколько более высокую прочность и твердость в сравнении с
крупнозернистыми.
80
Крупнозернистые стали имеют также ряд преимуществ. Эти стали
имеют лучшую прокаливаемость; жаропрочные аустенитные стали с
крупным зерном лучше сопротивляются ползучести. Магнитомягкие стали
имеют меньшую коэрцитивную силу и тем самым меньшие потери.
8.3. Превращения в стали при охлаждении (II превращение)
При медленном охлаждении происходит эвтектоидное превращение
аустенита
Fe
γ
(С)→ Fe
α
+ Fe
3
С; А→Ф+Ц
II
0,8 %С
1
А
0,2 %С+6,67 %С
Рассмотрим закономерность превращения переохлажденного
аустенита эвтектоидного состава (0,8 % С) на n-ом количестве образцов.
Для этого:
1) образцы нагревают до однородного аустенита выше А
с1
+ (30…
50–°С)≈770 °С, дают выдержку;
2) образцы переносятся в термостаты с заданной температурой ниже
линии А
1
(727 °С), интервал между изотермами 25-50°С;
3) в процессе изотермической выдержки наблюдают за
происходящими в аустените превращениями (измеряют твердость,
плотность, магнитную восприимчивость);
4) строят серию кинетических кривых в координатах «время -
количество расплавившегося аустенита».
Отрезки ОН
1
, ОН
2
(рис.8.6) и т.д. называются инкубационным или
подготовительным периодом.
81
0
50
100
H
2
0
200
400
600
-200
M
k
0 10
10
2
10
3
10
4
ln τ,c
M
A M
M
H
H
3
K
3
K
2
T
3
H
2
T
1
1
2
T
2
A
1
723
Перлит Сорбит
Троостит
Бейнит
Мартенсит-
ное
Промежуточ-
ное
Перлит-
ное
10
10
2
10
3
10
4
10
5
время, с
H
1
H
3
T
2
T
3
T
1
K
1
K
3
K
2
а)
б)
Температура, С
Количество распав-
шегося аустенита,
Рис. 8.6. Кинетические кривые изотермического превращения аустенита (а)
и построенная по ним диаграмма (б)
Превращение протекает с различной скоростью и достигает
максимума при 50 % распавшегося аустенита.
С увеличением переохлаждения устойчивость аустенита
уменьшается (ОН
1
> ОН
2
), минимум устойчивости приходится на
переохлаждение в 150-200 °С ниже А
1
(500 - 550 °С).
При дальнейшем увеличении переохлаждения устойчивость растет
(ОН
3
).
Строят диаграмму изотермического превращения переохлажденного
аустенита в координатах t° - lgτ. Такая диаграммы в координатах
называется диаграммой изотермического превращения аустенита или
С- образной диаграммой:
- левая кривая - начало превращения переохлажденного аустенита в
зависимости от степени переохлаждения;
82
lg τ ,C