Вопросы для самоподготовки к зачетам и экзаменам по материаловедению

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

24 25. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe3C)

Ж+F – ферритная область.

F+A – ферритная + аустенитная.

Л – ледебурит 

ЦI – цементит первичный.

Железо – металл, плавящийся при температуре 1539оС и относящийся к полиморфным.

Полиморфизм – это возможность существования металлов в различных кристаллических модификациях.

В интервале 1539 оС – 1392 оС железо имеет ОЦК решетку.

В интервале 1392 оС – 911 оС железо имеет ГЦК решетку.

При температуре  менее 911 оС железо имеет ОЦК решетку.

При температуре 768 оС железо из ферромагнитного переходит в паромагнитном состояние, т.е. становится немагнитным. Это т.н. точка Кюри.

Железо  сравнительно мягкий металл: sв=250 МПа, НВ 80.

Цементит – химическое соединение, отвечающее формуле Fe3C. Образуется при строго определенном количестве атомов Fe и C, причем доля C составляет 6,67%. Цементит является наиболее твердой фазой железоуглеродистых сплавов (НВ 800). При нагреве в определенных условиях цементит может распадаться с образованием железа и углерода в свободном состоянии в виде графита. Способность цементита к разложению положена в основу получения чугунов.

На диаграмме  состояния железа-цементит линия  ABCD – линия липидус, а AHIECF – солидус.

На диаграмме  состояния есть две области, прилегающие  к ординате, на которых откладывают температуру компонента железа, область феррита и область аустенита. Вообще на диаграмме можно выделить 4 фазы: жидкость, феррит, аустенит и цементит.

Феррит – твердый раствор углерода в a-железе. Феррит имеет ОКЦ решетку. Чисто ферритные области: AHN (1539 оС – 1392 оС) (высоко температурный феррит) и AGPQ (911 оС и до комнатной).

Аустенит – твердый раствор углерода в g-железе. Имеет ГЦК решетку. Область чистого аустенита MIESG.

На диаграмме  видно три горизонтальных линии, при температуре которых протекают нонвариантные рекации (С=0).

По линии  HIB при Т=1499 оС протекает перитектическая реакция, в результате которой жидкость состава точки B взаимодействует с кристаллами феррита в точке Н с образованием кристаллов аустенита в точке I.

По линии  ECF при Т=1147 оС протекает эвтектическая реакция, в результате которой жидкость в точке C распадается на аустенит в точке E и цементит. Механическая смесь аустенита и цементита в интервале T=1147 оС – 727 оС получила название ледебурит.

По линии PSK при Т=727 оС протекает эвтектоидная реакция, в результате которой аустенит в точке S распадается на феррит в точке P и цементит. Механическая смесь феррита и цементита получила называние перлит.

Эвтектика отличается от эвтектоида тем, что первая протекает с участием жидкой фазы. Вторая является результатом распада твердого раствора. В связи с тем, что при температуре меньше 727 оС аустенита быть не может, ледебурит видоизменяется и в интервале T=727 оС – 20 оС ледебурит – механическая смесь из перлита и цементита.

На диаграмме  видны линии ограниченной растворимости (PQ и SE).

При Т=20 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,01% (в точке Q). При Т=727 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,02% (в точке P). Следовательно, при охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ОЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита третичного. Аналогичное наблюдается и при растворении углерода в ГЦК решетке, если при Т=727 оС (точка S) углерод составляет 0,8%, то при Т=1147 оС (точка Е) – 2,14%. При охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ГЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита вторичного. По химическому составу цементит первичный, вторичный и третичный не отличаются. Это для того, чтобы отличить цементит, выделившийся из жидкости, из аустенита и из феррита.

Сплавы  железа с углеродом с содержанием  углерода до 2,14% называют сталь. Стали подразделяются на доэвтектоидные, с содержанием углерода до 0,8% (феррит + перлит), эвтектоидные – 0,8% (перлит), заэвтектоидные –от 0,8% до 2,14% (перлит + цементит II). Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называют чугунами: доэвтектоидные –от 2,14% до 4,3% (перлит + ледебурит + цементит), эвтектический –4,3% (ледебурит), заэвтектический – от 4,3% до 6,67% (ледебурит + цементит I). 

по  лекции: Линии,образующие треуг-ки в левом углу связана с аллотропическим превращением железа и перекристализ-ей δ – тверд раствора в γ-тверд раствор. эта фаза-переход не играет почти никакой роли при тех обработке стали. Диагр сост-я Fe – Ц представляет собой как бы 2 совмещенные и немного сдвинутые одна относит-но другой диаграммы с ограниченной растворимостью. Верхняя диагр относится к процессам первичной кристал-ции выше линии ЕСF, а ниже – к процессам вторичной крист-ции, т.к. эти процессы происходят в тверд состоянии. Поск-ку С способен растворяться в решетке γ-Fe до 2,14 %,то при кристалл-ции жид сплавов,содержащих не более 2,4 % углерода, из жид-сти будут появляться кристаллы трерд раствора аустенита γ-Fe различной концентр-ции в зависимости от состава сплава. Линии ВС будет соответствовать началу кристалл-ции аустенита,а линия JЕ – концу кристалл-ции. При концентрации сплава более чем 2,14% С, т.е. правее точки Е, избыточный С уже не может размещаться в крист-кой решетке железа; образует кристаллы Fe₃C. Т.о для сплавов,расположен-х правее т-ки Е, в результате кристалл-ции должна появл-ся мех смесь аустенита и цементита.Если состав сплава будет точно соответствовать 4,3% С, то при крист-ции при t=1147  одновременно будут возникать кристаллы аустенита и цементита,образуя эвтектическую смесь,наз-мую ледебуритом. Кристал-ция сплавов,лежащих по составу между точками Е и С, начнется с образования аустенита. В процессе охлаждения состав как жидкой так и твердой фазы будет меняться и при достижении t=1147 линии ЕСF  состав жидкости будет соответствовать 4,3% С.а тверд фаза аустенита – 2,14%. Это положение справедливо для любых сплавов из линии ЕСF. На линии солидус ЕСF из жидкости будет кристаллизоваться ледебурит. Аналогично будет происходить кристалл-ция сплавов,лежащих правее тоски С ,с той лишь разницей,что вместо аустенита будет выделяться Цементит1; состав жид-сти будет меняться по кривой ДС, и при достижении t=1147 из оставш-ся жид-сти будет о5 кристал-ся ледебурит.Линия ЕСF наз эвтектической линией.

 Сплавы  железа и С, содержащие с  менее чем 2,14% С, наз-ся сталями. Все стали при высокой температуре имеют структуру аустенита и, ввиду его хорошей пластичности, стали обабатыв-ся давлением.Если содержание С будет больше,чем 2,14%, то в струк-ре появл-ся хрупкая ледебуритная эвтектика, и обработка давлением обычными способами становится невозможной.Но существуют способы…Понижение температуры вызывает ряд превращений аустенита,вследствие которых он перестает существовать. Превращения происходят по-разному ,в зависимости от содержания С в сплаве.Если сталь содержит менее,чем 0,8 %,т.е. правее точки S , то при охлаждении до температуры,соответствующей линии GS, начинается перекристал-ция аустенита с образованием зерен перлита. Точка G на температурной оси чистого железа (911 градусов) соответствует температуре аллотропического превращения γ-Fe в α-Fe.Увеличение конц-ции С снижает температуру аллотропического превращения. По мере охлаждения сплавов кол-во феррита увелич-ся , а аустенита-уменьшается. Одновременно увел-ся концентр-ция С в аустените,что можно определить,используя правило отрезков;Но при этом увел-ся так же и соед-ние С и в феррите до 0,025%. Содержание С в аустените (А) будет 0,8%,а в феррите (Ф) – 0,025%.В А с С 0,8% при охлаждении до 727 гр одновременно происходит образование Ф, вследствие аллотропного превращения и образование Ц.Поск-ку С уже не может находиться в решетке железа в прежнем количестве,то образование смеси Ф и Ц происходит по тем же законам,что и эвтектические смеси, с тем же различием,чтов данном случае эта дисперсная механич смесь разнотипных кристаллов возникает из тверд,а не из жидкого состояния,поэтому такая мех смесь наз эвтектоидом. Эвтектоид,состоящий из мех смеси Ф и Ц, наз перлитом. Т.о образом происходит превращение и для сплавов, содержащих > чем 0,8%С, за исключением сплавов,лежащих левее точки Р,т.к. в етой области содержание С не превышает 0,025% и струк-ра будет представлять из ся Ф. При температуре ниже 727 гр РQ из перлита будет выделяться Ц_III 1%. Подобным образом превращения будут происходить в сплавах,лежащих правее точки Е. При охлаждении сплавов с 1147 до 727 гр концентр-ция С в избыточном А, не входящем в эвтектику и в А эвтектичного состава, будет изменяться в соответ-вии с линией ЕS, в результате чего образ-ся  кристалл Ц_II, а концентрация С снизится до 0,8% при 727гр,т.е. А приобретает перлитную конц-цию и превращ-ся в эвтектоид.На линии РSK 727гр образуется перлит и онаназ-ся перлитной линией. Точка С и S, в которых весь объем сплава превращается  в эвтектику, наз-ся (С) эвтектической точкой и эвтектоидной (S).

Классификация сплава системы железо-Ц. Все сплавы данной системы делят на 3 большие группы: 1)технической железо;2)стали и 3)чугуны. Рассмотрим 2)стали – Fe с С, в котором содержание С больше предельной растворимости в α-Fe 0,025% и меньше его предельной растворимости в γ-Fe 2,14% между точками Р и Е. Принципиальное отличие технического железа от стали заключаеца в том,что в стали присутствует эвтектоидная смесь- перлит,а в тех железе его нет.

Стали в свою очередь делятся на 3 группы: 1)0,025-0,8% - в структуре присутствует Ф+П (доэвтектоидные стали); 2) 0,8% С , структура- чистый П (эвтектоидные стали); 3) 0,8-2,14 %, состоит из П и Ц_{II (}заэвтектоидные стали).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

25. 3)чугуны – сплавы Fe с С , в которых соединение С больше его растворимости в γ-Fe,т.е. все что правее точки Е. принципиальное отличие чугунов от стали заключается в том,что в их струтуре находится эвтектоидная смесь- ледебурит, а в стали – нет. Исключение: в некоторых сталях содержане С м.б. больше 2,14%, - это стали ледебуритного класса.

Чугуны  так же делятся на 3 группы:  1)2,14-4,3% С – состоит из П+Л -(доэвтектические); 2)4,3% С – только Л (ледебурит) – (эвтектические) самые легкоплавкие; 3)больше 4,3 % С – содержит Ц_II+Л – (заэвтектические чугуны).

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

26. Примеси в стали и влияние их на свойства стали.  

В сталях всегда присутствуют примеси, которые  делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести,. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести, но снижает пластичность и вязкость.Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25^oС.Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988^oС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости. Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурахСера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃ ) нитридов (Fe ₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180, лучше в вакууме мм рт. ст.Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями. 

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

27. Классификация сталей по содержанию углерода,назначению и качеству.

Стали в свою очередь делятся на 3 группы: 1)0,025-0,8% - в структуре присутствует Ф+П (доэвтектоидные стали); 2) 0,8% С , структура- чистый П (эвтектоидные стали); 3) 0,8-2,14 %, состоит из П и Ц_{II (}заэвтектоидные стали).

Углеродистые  стали.

 Сплавы  железа с углеродом с содержанием  углерода до 2,14% называют сталями. Помимо углерода в углеродистые стали при  выплавке попадают посторонние примеси: обусловленные тезнологическими процессами (Mn, Si), невозможностью их удаления при плавке (P, S), случайными обстоятельствами (Ni, Cu). Если перечисленные элементы входят в больших количествах, чем предусмотренные ГОСТом на углеродистые стали, эти стали считают легирующими.

 Влияние постоянных примесей на структуру с  свойства стали.

 К постоянным относятся Mn, Si, S, P и газы O, N, H. Верхний предел присутсвия S, P ограничивается 0,05%, Mn, Si – 0,08%.

 Марганец вводят в сталь для раскисления, т.е. для устранения вредного влияния закиси железа FeO+Mn®MnO+Fe. При введении марганца происходит восстановление железа из закиси, тем самым несколько увеличиваются характеристики пластичности стали.

 Кремний вводится для раскисления 2FeO+Si®2Fe+SiO₂.

 Фосфор – вредная примесь, попадает в сталь вместе с рудой. Присутствие фосфора повышает порог хладноломкости стали, т.е. повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Его удаляют в процессе выплавки стали путем изменения состава шлаков и флюсов.

 Сера  – как и фосфор, попадает с рудой. Взаимодействуя с железом образует сульфид (FeS), входящий в состав эвтектики плавящейся при Т=988 ^оС. наличие легкоплавкой эвтектики приводит к охрупчиванию стали при температурах красного коления (»800 ^оС). Это явление называют красноломкость. Введение в сталь марганца устраняет красноломкость в виду того, что марганец обладает большим сродством к сере, чем железо: FeS+Mn®MnS+Fe. В результате образуется сульфид марганца, который входит  состав эвтектики, плавящейся при Т=1620 ^оС.