Сигова В.И., Пчелинцев В.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. Ч2

Подождите немного. Документ загружается.

УМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕ

смесь, то свойства сплавов с изменением состава изменяются по

закону прямой линии; если образуются неограниченные твердые

растворы - по криволинейному закону с максимумом или миниму-

мом; если ограниченные твердые растворы - по закону кривой ли-

нии, а в двухфазной области свойства изменяются по прямой ли-

нии; если компоненты образуют химическое соединение, то соста-

ву химического соединения соответствует максимум (или мини-

мум) на общей кривой изменения свойств. Знание этих закономер-

ностей значительно облегчает создание новых сплавов с заданны-

ми свойствами и содействует более целенаправленному использо-

ванию существующих сплавов.

Литература: [1, с.9-18; 28-39, 60-66]; [2, с.8-44];

[3, с.9-47]; [5, с.5-46].

Вопросы для самопроверки

1 Нарисуйте схемы основных типов кристаллических реше-

ток и укажите, каким наиболее распространенным металлам они

присущи.

2 Нарисуйте и объясните кривую охлаждения (и нагрева-

ния) чистого свинца. Что такое критическая точка?

3 Что такое аллотропия? Изобразите кривую охлаждения

чистого железа со всеми его аллотропическими модификациями

(превращениями).

4 Нарисуйте схему строения сплава твердого раствора вне-

дрения и замещения и объясните ее. В чем отличие сплава - твер-

дого раствора - от механической смеси или от химического соеди-

нения?

5 Изобразите диаграмму состояния сплавов, образующих

механические смеси. Объясните значение каждой линии на этой

диаграмме и напишите, какие структуры получаются в каждой зоне

диаграммы.

6 Изобразите диаграмму состояния сплавов, образующих

твердые растворы. Объясните значение каждой линии и назовите

структуры, которые получаются в зонах диаграммы. Нарисуйте

схему структуры для сплава с 50% компонента В.

УМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕ

7 В чем отличие фазы от компонента?

8 Как строятся диаграммы состояния?

9 Что такое полиморфизм и анизотропия?

10 В чем сущность первичной и вторичной кристаллизации?

11 Чем отличается правило Курнакова от правила Гиббса?

12 Что такое переохлаждение и в чем проявляется его влия-

ние на формирование структуры литого металла?

13 Какие основные дефекты кристаллического строения?

14 Дайте характеристику основных фаз в сплавах.

1.3 Структура и свойства сплавов черных металлов

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Fe-Fe

C, ее анализ. Процесс затвердевания углеродистых сталей.

Превращения в сталях в твердом состоянии. Структурные состав-

ляющие доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей.

Постоянные примеси в стали и их влияние на ее свойства

(C, Mn, Si, P, S). Классификация и маркировка углеродистых ста-

лей по ГОСТ 1080-71.

Чугуны. Белые чугуны. Процесс затвердевания белых чу-

гунов и превращения в них в твердом состоянии. Их свойства и об-

ласти применения.

Серые чугуны. Влияние характера и формы графитных

включений на свойства серого чугуна. Структура металлической

основы серого чугуна. Влияние скорости охлаждения и химическо-

го состава на структуру и свойства чугуна. Свойства, маркировка

по ГОСТ 1412-85 и область применения серого чугуна.

Ковкие чугуны. Их получение. Структура ковкого чугуна,

форма графитных включений, структура металлической основы

чугуна. Свойства и области применения. Маркировка ковкого чу-

гуна по ГОСТ 1215-79.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Техноло-

гия получения, структура и свойства, применение в технике, мар-

кировка по ГОСТ 7293-85.

Методические указания

УМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕ

Приступая к изучению диаграммы состояния железоуглеро-

дистых сплавов, необходимо изучить предыдущий материал, т.к.

данная диаграмма складывается из элементарных диаграмм со-

стояния: диаграммы с образованием устойчивого химического со-

единения; диаграммы состояния для сплавов, образующих механи-

ческие смеси и диаграммы состояния для сплавов, образующих ог-

раниченные твердые растворы. В настоящем курсе верхний левый

угол диаграммы состояния не изучается.

Рассматривая общий вид диаграммы железо-углерод, следу-

ет уяснить, что при их взаимодействии железа и углерода образу-

ется ряд химических соединений, именуемых карбидами железа

(FeC; Fe

C; Fe

C), которые могут рассматриваться как самостоя-

тельные компоненты. При разборе диаграммы состояния для выбо-

ра режимов термических процессов обработки железоуглероди-

стых сплавов практически рассматривается ограниченный участок

сплавов с концентрацией углерода от нуля до 6,67%. Такое содер-

жание углерода соответствует химическому соединению Fe

C (це-

ментит), которое и рассматривается вторым компонентом диа-

граммы состояния (рис.3). При взаимодействии компонентов желе-

зо и цементит образуются также ограниченные твердые растворы

внедрения атомов углерода в решетке γ-железа (ГЦК) - аустенит, в

решетке α-железа (ОЦК) - феррит. Максимальная растворимость

углерода в аустените достигает 2,14% (точка Е), а в феррите -

0,023% (точка Р). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% назы-

вают сталями. Кристаллизуются они с образованием только аусте-

нита. Сплавы с содержанием углерода от 2,14% до 6,67% - чугуны

образуют при затвердевании по линии ЕСF эвтектику, представ-

ляющую собой механическую смесь кристаллов аустенита с це-

ментитом (первичным). Эта смесь называется ледебуритом. Точ-

ка С

(4,3% углерода) на линии превращения жидкости в ледебурит де-

лит белые чугуны на доэвтектические (линия ЕС), кристаллизация

которых аналогична для сталей с образованием аустенита, и заэв-

тектические (линия CF), которые кристаллизуются с образованием

цементита первичного, выпадающего на линии СД.

УМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕ

высокопрочных чу-

Линии диаграммы, расположенные ниже линии солидус

(AEСF), указывают на то, что после затвердевания идут вторичные

процессы перекристаллизации, связанные с изменением раствори-

мости углерода в железе (линия ES и PQ) и аллотропическим пре-

вращением железа γ⇔α (линия GS и PG). На линии PSK происхо-

дит образование механической смеси из твердого раствора (аусте-

нита), которая называется перлитом, а превращение - эвтектоид-

ным. Желательно запомнить свойства сплавов по твердости:

феррит - НВ 80, аустенит - НВ 200, перлит - НВ 240, цементит -

НВ 800, ледебурит - НВ 700.

Стали и чугуны представляют собой сплавы железа с угле-

родом соответственно до 2,14% и 2,14-6,67% и наличием постоян-

ных примесей, из которых сера и фосфор являются вредными, т.к.

сера сообщает стали красноломкость, т.е. хрупкость при высоких

температурах, а фосфор - хладноломкость. Структуру конкретных

сплавов железа с углеродом можно определить по соответствую-

щим областям диаграммы состояния. Изучая чугуны, следует

уяснить существенные особенности структур белых и серых

(графитовых) чугунов. В структуре первых весь углерод

присутствует в виде цементита, а во вторых одна часть углерода

находится в свободном состоянии (в виде включений графита), а

другая входит в состав перлита. Свойства графитных чугунов

зависят от структуры металлической основы, которая может быть

ферритной, перлитной или ферритно-перлитной. Свойства также в

большой степени зависят от формы, характера и размеров

графитных включений. Наименьшей прочностью обладают

ферритные чугуны (СЧ) с грубыми пластинчатыми включениями

графита, а максимальной - перлитный чугун с шаровидной формой

графита (ВЧ). Следует ознакомиться с методами получения серых,

ковких и

УМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕ

Рисунок 4 - Фазовая диаграмма состояния Fe-Fe

УМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕ

гунов, их свойствами, маркировкой и областью применения. Кроме

того, необходимо повторить классификацию сталей.

Так как контрольные работы содержат вопросы построения

кривых охлаждения (нагревания), то необходимо изучить фазовую

диаграмму состояния (рис.4) и пользоваться ею при ответах. Всего

на диаграмме состояния пять фаз: жидкость, цементит, δ-Fe, γ-Fe,

α-Fe. Свойства сплавов при комнатной температуре изменяются по

прямолинейной зависимости в соответствии с количественным

соотношением фаз - феррита и цементита.

Литература: [1, с.113-120; 146-160]; [2, с.48-80]; [3, с.135-

174]; [5, с.68-78].

Вопросы для самопроверки

1 Какие полиморфные (аллотропические) превращения пре-

терпевает железо (Fe) при охлаждении и как они обозначаются?

2 Сформулируйте определения основных фаз железоугле-

родистых сплавов: феррита, аустенита, цементита.

3 Приведите классификацию углеродистых сталей по назна-

чению и качеству, их маркировку.

4 Сформулируйте определение структурных составляющих

железоуглеродистых сплавов: перлита и ледебурита. В чем заклю-

чается различие между эвтектикой и эвтектоидом?

5 Начертите диаграмму состояния железо-углерод. Дайте

определение характерным ее точкам, линиям, областям. В чем про-

является на диаграмме состояния отличие сталей от чугунов?

6 Какие превращения происходят в сплавах, содержащих 0,5

и 1,2% углерода, при медленном охлаждении из расплавленного

состояния и при нагревании от комнатной температуры?

7 Какие превращения происходят в сплавах, содержащих 3

и 5% углерода, при медленном охлаждении из расплавленного со-

стояния и при нагревании от комнатной температуры?

8 Нарисуйте схемы микроструктур доэвтектоидной, эвтек-

тоидной и заэвтектоидной сталей с указанием структурных состав-

ляющих.

УМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕ

9 Нарисуйте схемы микроструктур графитных чугунов с

указанием структурных составляющих. Как маркируются эти груп-

пы?

10 Чем отличаются на диаграммах состояния цементиты

первичный, вторичный и третичный?

1.4 Пластическая деформация и рекристаллизация металлов

Напряжение и деформация. Физическая сущность упругой

и пластической деформации. Механизмы пластической деформа-

ции, их влияние на микро- и субмикроструктуру. Теоретическая и

реальная прочность металлов. Влияние пластической деформации

на структуру и свойства металлов. Сущность явления наклепа,

формирование текстуры и их практическое применение.

Механические свойства при статических нагрузках. Твер-

дость металлов и методы ее определения. Механические свойства

при ударных нагрузках. Методы механических и технологических

испытаний по ГОСТ. Явление хладноломкости и усталости. Предел

выносливости. Хрупкое и вязкое разрушение. Влияние температу-

ры на механические свойства. Конструкционная прочность метал-

лов и методы ее повышения.

Физическая сущность упругой и пластической деформации.

Механизм пластической деформации, ее влияние на микро- и суб-

микроструктуру, изменение плотности дефектов кристаллического

строения. Связь между характером изменения физико-механиче-

ских свойств, строением структуры и степенью искажения кри-

сталлической решетки. Сущность явления наклепа, формирования

текстуры и их практическое применение. Основные методы испы-

тания образцов для определения механических свойств. Методы

определения твердости.

Физическая природа превращений при нагреве предвари-

тельно наклепанного металла. Возврат (отдых и полигонизация),

первичная и собирательная рекристаллизация. Влияние состава,

размера зерна, скорости нагрева и степени деформации на проте-

кание рекристаллизационных (восстановительных) процессов. Раз-

личие между холодной и горячей пластическими деформациями.

УМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕ

Режимы рекристаллизационного отжига для разных металлов. Пре-

дельная и критическая степень пластической деформации.

Методические указания

Под влиянием внешних воздействий и различных внутрен-

них физико-механических процессов в теле возникают внутренние

механические силы, которые оказывают сопротивление деформа-

ции. Удельные нагрузки, приходящиеся на единицу площади попе-

речного сечения, называют напряжениями, которые являются

функцией двух переменных: нагрузки (силы) Р и поперечного се-

чения F. В общем случае в теле возникают нормальные напряже-

ния: (σ) - действующие перпендикулярно плоскости сечения

тела, и касательные (τ) - действующие в плоскости сечения те-

ла. В случае одноосного растяжения напряжения вычисляют по

формуле

σ=

где Р - сила, Н (кгс); F

- начальная площадь поперечного сечения,

(мм

); σ - напряжение, МПа (кгс/мм

Различают напряжения, возникающие под действием внеш-

ней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напря-

жения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах данного

тела без действия внешней нагрузки. Образование внутренних на-

пряжений связано в основном с неоднородным распределением

деформаций по объему тела. Различают тепловые и структурные

(фазовые) внутренние напряжения, которые подразделяются на

напряжения Ι рода, которые уравновешиваются в объеме всего

тела (макронапряжения); ΙΙ рода - в объеме одного зерна (микро-

напряжения); ΙΙΙ рода - в объемах порядка размеров кристалличе-

ской ячейки (субмикроскопические). Приложенные к телу внешние

силы вызывают деформацию.

Деформация представляет собой изменение размеров и

формы тела (изделия) под действием приложенных сил (напряже-

ний). Упругая деформация устраняется после прекращения дейст-

УМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕ

вия сил, вызвавших ее, и характеризуется незначительным и обра-

тимым относительным смещением атомов. Пластическая дефор-

мация (ПД) не устраняется после снятия напряжений и характери-

зуется необратимым смещением атомов. Механизм ПД в монокри-

сталлах осуществляется скольжением и двойникованием под дей-

ствием касательных напряжений - τ

кр

≈ 0,16G (модуль сдвига - G).

В реальных кристаллах ПД осуществляется дислокационным ме-

ханизмом - последовательным их перемещением. Напряжения, не-

обходимые для их перемещения, составляют ≈10-4G . При дисло-

кационном сдвиге образуются полосы и линии скольжения, что

приводит к увеличению сопротивления перемещения дислокаций и

росту количества вакансий и межузельных атомов. Пластическая

деформация поликристаллов сопровождается вытягиванием и ори-

ентировкой зерен относительно действующих напряжений, и обра-

зуются волокнистая структура и текстура деформации. Внутри

зерен растет плотность дефектов кристаллического строения и ма-

териал упрочняется - происходит наклеп, сопровождаемый сни-

жением характеристик пластичности. Степень наклепа ограничи-

вается предельной деформацией, которая приводит к разрушению

металлов. Процесс ПД двухфазных сплавов зависит от свойств и

характера расположения каждой фазы. Наклеп используется для

упрочнения изделий или их поверхностных слоев (пружины, рес-

соры, галтели валов, сварочные соединения), повышая этим уста-

лостную прочность изделий.

Механические свойства металлов определяют поведение

материала при деформации и разрушении от действия внешних на-

грузок. В зависимости от условий нагружения механические свой-

ства могут определяться при: статическом нагружении, когда на-

грузка на образец возрастает медленно и плавно; динамическом

нагружении, когда нагрузка возрастает с большой скоростью - име-

ет ударный характер; повторно-переменном или циклическом

нагружении, когда нагрузка в процессе испытания многократно

изменяется по величине или по величине и направлению. Для по-

лучения сопоставимых результатов образцы и методика проведе-

ния механических испытаний регламентированы ДСТ и ГОСТ. При

любом способе нагружения в материале возникают напряжения.

УМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕ

Касательные напряжения приводят к пластической деформации

материала и к последующему вязкому разрушению. Нормальные

напряжения приводят к упругой деформации и к хрупкому разру-

шению, для которого характерно отсутствие предварительной мак-

ропластической деформации. Отношение максимальных касатель-

ных напряжений (τ

max

) к максимальным нормальным напряжениям

(σ

max

), действующим в материале, зависит от способа нагружения и

называется коэффициентом жесткости нагружения.

Наиболее часто для определения свойств (предел прочности

- σ

; предел текучести - σ

0,2

; относительное удлинение - δ; сужение

- ψ и др.) используют статические методы испытаний: растяжение,

сжатие, изгиб как на гладких, так и образцах с концентратором на-

пряжений (надрезе), твердость.

Широкое распространение испытаний материалов получил

метод измерения твердости вдавливанием в испытуемый материал

индентора, изготовленного из более твердого материала. О вели-

чине твердости судят либо по глубине проникновения индентора

(метод Роквелла с измерением твердости по шкале HRC; HRA;

HRB), либо по величине отпечатка от вдавливания индентора при

соответствующей нагрузке (метод Бринелля - НВ, Виккерса - HV,

метод измерения микротвердости на приборе ПМТЗ - Н

). Для

многих пластичных материалов существует определенная зависи-

мость между пределом прочности и твердостью σ

= С⋅НВ, где С -

коэффициент, составляющий для сталей 0,33-0,36.

Пластическая деформация способствует повышению сво-

бодной энергии металла, делая его структурно нестабильным. При

нагревании холоднодеформированного металла он переходит в бо-

лее стабильное (равновесное) состояние. Характеры процессов и

степень восстановления свойств и структур зависят от температу-

ры нагрева и ее соотношения с температурой начала рекристалли-

зации (

- температура начала процесса зарождения и роста но-

вых зерен со значительно меньшим количеством дефектов кри-

сталлического строения, чем в деформированном металле). Вос-

становительные процессы включают возврат (отдых и полигониза-

ция) при температуре нагрева

, меньшей

. Первичная рекри-