Железо и сплавы на его основе

1. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем. Фазы, структуры

Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы. Элементы, образующие сплавы, называют компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, но, прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением.

Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину:

• формирования структуры любого сплава;
• определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей;
• оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможность получения химической неоднородности;
• сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением;
• определить режим термической обработки, необходимый для данного сплава.

Основные определения.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплава (рис.1, рис.2)

Рис.1 Метод построения диаграмм состояния

Рис.2 Экспериментальная установка для построения диаграмм состояния

где: 1 – печь; 2 – тигель; 3 – расплавленный металл; 4 – горячий спай; 5 – термопара; 6 – колпачок; 7 – холодный спай; 8 гальванометр

Экспериментально построенные диаграммы состояния проверяют по правилу фаз, дающему возможность теоретически обосновать направление протекания процессов превращения для установления равновесного состояния системы.

Правило фаз даёт возможность:

• предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении;
• оно показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур;
• указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе.

Правило фаз выражается следующим уравнением:

С = К + 1 – Ф

где: К – число компонентов в системе; Ф – число фаз; С – число степеней свободы (или вариантность системы). Число степеней свободы – это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твёрдом состоянии (рис.3).

Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре.

Это осуществляется при помощи двух простых правил (рис.4):

1. Правило концентраций – правила определения состава фаз;
2. Правило отрезков – правило определения количественного определения фаз.

Рис.3 Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью и кривые охлаждения для сплавов и чистых компонентов

Рис.4 Применение правила концентраций и правила отрезков

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и образуют эвтектику (рис.5).

Рис.5 Построение кривых охлаждения для диаграммы с ограниченной растворимостью и с эвтектикой

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной переменной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии (рис.6).

Рис.6 Построение кривых охлаждения для диаграммы с ограниченной переменной растворимостью

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и образуют перитектику (рис.7)

Рис.7 Построение кривых охлаждения для диаграмм с перитектикой

Диаграммы состояний сплавов, с полиморфным и эвтектойдным превращением компонентов (рис.8)

Эвтектойдное превращение: γЕ → α_К + β_F

Рис.8 Построение кривых охлаждения для диаграммы с полиморфным превращением

Диаграммы состояний сплавов, компоненты которых образуют химические соединения (рис.9)

Рис.9 Диаграмма состояния, компоненты которых образуют химические соединения

Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии.

Свойства сплавов в значительной степени определяется фазовым составом, о котором можно судить по диаграмме состояния (рис.10). Большой практический интерес представляют технологические свойства твёрдых растворов.

Сплавы в состоянии твёрдых растворов хорошо обрабатываются давлением и трудно – резанием. Литейные свойства твёрдых растворов, как правило, не удовлетворительны. Наилучшей жидкотекучестью обладают эвтектические сплавы.

Промежуточные фазы в большинстве случаев обладают высокими твёрдостью, температурой плавления и хрупкостью (карбиды, нитриды, бориды, оксиды и др.).

Закономерности, отмеченные Н.С.Курнаковым, являются основой при разработке составов сплавов с заданными свойствами.

Таким образом, помимо классификации кристаллов по видам связи, используют классификацию по типам кристаллической решётки. Такая классификация позволяет прогнозировать характер изменения свойств сплава в функции состава.

Рис.10 Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояний (правило Н.С.Курнакова)

2. Диаграмма Fe – C (Fe – Fe₃С)

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы Fe – C (рис.11). Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы.

Имеются две диаграммы Fe – C:

• метастабильная Fe – Fe₃C;
• стабильная Fe – Гр.

Рис.11 Структурная диаграмма состояний железо углерод

Железо и углерод – компоненты. Железо с температурой плавления 1539^оС имеет модификации – α и γ. Модификация Fe_α существует при температурах до 911^оС и от 1392^оС до 1539^оС, имеет ОЦК решётку. Важной особенностью Fe_α является его ферромагнетизм ниже температуры 768^оС, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe_γ в интервале температур от 911 до 1392^оС имеет ГЦК решётку. При переходе Fe_α в Fe_γ объем, железа уменьшается приблизительно на 1%. Fe_γ – парамагнитное (рис.12).

Переход ОЦК ↔ ГЦК называют полиморфным превращением.

Рис.12 Температурный полиморфизм железа

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При равновесных условиях стабилен графит, при высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз.

Фазы в сплавах железо – углерод (рис.13, рис.14):

• жидкий раствор;
• феррит – Ф;
• аустенит – А;
• цементит – Ц;
• свободный углерод в виде – Гр.

Определение фаз в железо – углеродистых сплавах

Рис.13 Фазы в железо – углеродистых сплавах

Рис.14 Кристаллические решётки: a – алмаза, б – графита, с цементита

Превращение в сплавах системы Fe – C:

Первая критическая точка – начало кристаллизации (ликвидус). Эти точки для различных сплавов располагаются на линии АВСД (см. рис. 11).

Вторая критическая точка – конец кристаллизации (солидус). Эти точки для различных сплавов располагаются на линии АНJECF.

Железо – углеродистые сплавы делят на две группы (рис.11):

• стали – сплав железа с углеродом, где углерода содержится до 2,14%;
• чугуны – сплав железа с углеродом, где углерода содержится боле 2,14 %.

В системе Fe – C происходят три изотермических превращения:

• в сталях – перитектическое и эвтектойдное (рис.15, рис.16, рис.17),
• в чугунах – эвтектическое (рис.22)

Рис.15 Кривые охлаждения для сталей с перитектическим превращением

Рис.16 Кривые охлаждения для диаграммы с эвтектойдным превращением

Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка стали давлением и др.) проводят в твёрдом состоянии, поэтому более подробно рассматриваются превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJE).

На рис.17 изображено превращения в сталях при охлаждении, их структуры и маркировка этих сталей.

Сталь 40 – конструкционная, углеродистая, качественная сталь со средним содержанием углерода 0,40%. Структура – феррит + перлит.

У8 – инструментальная, углеродистая, качественная сталь со средним содержанием углерода 0,8%. Структура – пластинчатый перлит.

У12 – инструментальная, углеродистая, качественная сталь со средним содержанием углерода 1,2%. Структура перлит + сетка цементита.

Рис.17 Кривые охлаждения и структуры сталей

ПРИМЕЧАНИЕ: цементит, выделяющейся из жидкости, называют первичным; цементит, выделяющейся из аустенита – вторичным; цементит, выделяющейся из феррита – третичным.

После освоения материала, превращения в сталях при охлаждении, студент должен самостоятельно описать структуры доэвтектойдных и заэвтектойдных сталей (см. рис.18 и рис.19).

Рис.18 Микроструктуры доэвтектойдных сталей

Рис.19 Микроструктуры эвтектойдной и заэвтектойдной сталей

На диаграмме Fe – C, кроме критических точек ликвидус (начала кристаллизации) и солидус (конец кристаллизации), имеются ещё ряд обозначений критических точек (рис.20).

Рис.20 Обозначения критических точек на диаграмме Fe – С Сильное влияние на свойства сталей оказывают – содержание углеро

да, примеси и температура испытаний стали (рис.21).

Рис.21 Влияние углерода и примесей на свойства сталей

Железоуглеродистые сплавы с эвтектическим превращением (чугуны)

Содержание углерода в этих сплавах более 2,14% (рис.22).

Рис.22 Кривые охлаждения для сплавов с эвтектическим превращением

В сплавах с содержанием углерода более 2,14% С при кристаллизации происходит эвтектическое превращение.

Такие сплавы называют белыми чугунами.

Сплав с концентрацией 4,3% С – эвтектиеский белый чугун кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически с одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. Образующая смесь этих сплавов при Т = 1147^оС названа ледебуритом (рис.23).

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ЕS вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектойдного превращения принимает значение 0,8%. При температуре линии РSК аустенит в ледебурите претерпевает эвтектойдное превращение в перлит.

Рис.23 Микроструктуры белых чугунов Железоуглеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с

диаграммой железо – графит только при весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок Si, Ni, и др. (рис.24). Такие сплавы называют серыми чугунами (рис.25).

Рис.24 Диаграмма состояния системы железо – графит

В зависимости от формы графитных включений серые чугуны называют: обычный серый чугун, ковкий чугун и высокопрочный чугун (рис.25).

Рис.25 Структура серых чугунов

На рис.26, 27 и 28 показана маркировка и металлическая основа серых чугунов.

Рис.26 Микроструктура и маркировка серых чугунов

Рис.27 Режим графитизации белых чугунов, микроструктура и маркировка ковких чугунов

Рис.28 Микроструктура и маркировка высокопрочных чугунов

Ковкие чугуны получают путём отжига белого чугуна, такой отжиг называют – графитизацией белых чугунов. Графитизация делится на несколько стадий в процессе которых цементит полностью распадается на графит.

На рис.29 изображены структуры железоуглеродистых сплавов (феррит – а, доэвтектойдные стали –б, в, эвтектойдная – г, структуры белых чугунов – е, ж, з)

Рис.29 Микроструктуры в железо – углеродистых сплавах

3. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру и свойства сталей.

В качестве легирующих наиболее часто используют следующие элементы: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Co, Nb. Реже используются Al, Cu, B и некоторые другие.

Почти все легирующие элементы изменяют:

• температуру полиморфных превращений железа;
• температуру эвтектойдной и эвтектической реакций;
• растворимость углерода в аустените;
• взаимодействия с углеродом образуют карбиды;
• взаимодействия друг с другом или с железом образуют интерметаллиды.

По влиянию на температуры А₃ и А₄ легирующие элементы можно разбить на две группы:

• в первую группу входят элементы, которые понижают А₃ и повышают А₄. К ним относятся Ni, Mn, C, N и др. Такие сплавы называют – аустенитными сталями (рис.30);
• во вторую группу входят элементы, которые повышают А₃ и понижают А₄. Таких элементов большинство Cr, Mo, W, V, Si, Ti и др. Такие сплавы называют – ферритными сталями (рис.31)

Рис.30 Стали легированные первой группой элементов (стали аустенитного класса)

Рис.31 Стали легированные второй группой элементов (стали ферритного класса)

Одна группа легирующих элементов не образуют карбидов, а другая группа легирующих элементов могут образовывать карбиды (специальные карбиды), кроме того они могут вступать во взаимодействия с цементитом образуя легированный цементит (рис.32).

Легированный цементит записывают обычно как (Fe, Cr)₃ С или (Fe, Mn)₃ С или в общем виде Ме₃С.

Сильные карбидообразователи – Mo, W, V, Ti – образуют с углеродом фазы внедрения. При этом чаще всего карбиды имеют формулу МС или М₂С. Фазы внедрения, отличающиеся очень высокой тугоплавкостью, практически нерастворимы в аустените. Для распада и растворения таких фаз, сталь необходимо нагревать до температур ~ 1300^оС. Вследствие нерастворимости фаз внедрения происходит обеднение аустенита углеродом при легировании стали сильными карбидообразователями.

Рис.32 Взаимодействие легирующих элементов с углеродом

Легирующие элементы влияют на температуры фазовых превращений сталей при нагреве и на состав точек S и Е диаграммы (рис.33).

Рис.33 Влияние легирующих элементов на критические точки стали

Под влиянием легирования изменяется положение узловых концентрационных точек диаграммы Fe – С. Большинство легирующих элементов уменьшает растворимость углерода в аустените при всех температурах, что равносильно сдвигу линии SE влево, в сторону меньших концентраций углерода.

Максимальная растворимость углерода в аустените (точка Е) наиболее резко уменьшается под влиянием элементов, замыкающих γ – область в безуглеродистых сплавах: Cr, Si, W, V, Ti. Очевидно, что в присутствии этих легирующих элементов ледебурит в структуре сплава появится при меньших концентрациях углерода, чем не в легированных железоуглеродистых сплавах. Например, в стали, легированной 10 – 11% Cr, ледебурит появляется в структуре при содержании углерода ~ 1%. Характерно, что небольшое количество ледебуритной эвтектике при пониженном содержании углерода не снижает способности сплава обрабатываться давлением в горячем состоянии, тогда как нелегированный белый чугун (С> 2,14%) теряет способность к обработке давлением даже при малых количествах эвтектической составляющей структуре.

В связи с этим легированные стали, содержащие ледебуритную составляющую, относятся к сталям, а не к белым чугунам и классифицируют как ледебуритные.

4. Влияние пластической деформации на структуру и свойства деформированного сплава.

Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и других свойств металлов в процессе пластической деформации называют деформационным упрочнением или наклепом. Упрочнение при наклепе объясняется возрастанием на несколько порядков плотности дислокаций.

С увеличением степени деформации характеристики пластичности (относительное удлинение, относительное сужение) и вязкости (ударная вязкость) уменьшаются, а прочностные характеристики (предел упругости, предел текучести, предел прочности и твердость) увеличиваются (рис.34)

Рис.34 Влияние степени деформации на механические свойства металла

Когда кристаллические решетки большинства зерен получают ещё одинаковую ориентировку, возникает текстура деформации (рис.35)

а

б

Рис.35 Влияние пластической деформации на микроструктуру металла: а – схема, б – микроструктура деформированного металла

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго.

5. Влияние температуры нагрева на структуру и свойства деформированного сплава.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки. Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации.

При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности (рис.36). Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

Рис.36 Влияние нагрева на механические свойства и изменение структуры деформационно-упрочненного металла:

а) – после деформации; б) – первичная рекристаллизация; в) – собирательная рекристаллизация

1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.

2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления

Трек = аТпл,

для металлов, а = 0,4; для твердых растворов, а = 0,5…0,8 для металлов высокой чистоты, а = 0,1…0,2

Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис.37).

Рис.37. Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %.

Такую деформацию называют критической.

Важное дополнение. Наклёп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в размещении атомов при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые при эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформирование детали с помощью обдувки дробью или обработки специальным инструментом(рис.38). Наклёпанный слой стремиться расшириться, встречая сопротивление со стороны не наклёпанных участков детали. В результате в этом слое возникнут напряжения сжатия, а под ним, на большом расстоянии от поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины и тем самым увеличивают долговечность деталей.

Рис.38 Деформационное поверхностное упрочнение пескаструйной или дробеструйной обработкой