|
В сплавах-механических смесях (гетерогенные системы), образующих эвтектику, в момент окончания затвердевания на линии солидуса приходятся в равновесии три фазы: кристаллы аустенита Fex(C«2%), цементита первичного Иезс (С=6,67%) и жидкая фаза. В соответствии с правилом фаз это равновесие нонвариантное С*2+1-3=0 и фиксируется горизонтальный участок при температуре, соответствующей линии солидус (t-1147°С).
248
Положение основных точек метастабильной диаграммы Fe-РезС
Точка t°C Концентрация углерода (по массе), %
А 1539 0,00
В 1499 0,51
С 1147 4,30
N 1392 0,00
Н 1499 0,10
J 1499 0,16
Е 1147 2,14
G 911 0,00
S 727 0,80
Р 727 0,02
0 20 0,006
Правило ( )аз
С=К+1-Ф, глеК- число компонентов в системе; Ф - число
фаз; С - число степеней свободы.
Чтобы указать протяженность горизонтального участка на кривой охлаждения, следует выбрать масштаб, соответствующий содержанию 100% эвтектики Удобно принять горизонтальный участок на кривой эвтектического сплава длиной 10 мм, по правилу отрезков определить относительное количество эвтектики, образующейся при кристаллизации сплава Сдоэвтектический и заэвтектический чугуны) и показать кристаллизацию эвтектики в виде горизонтального участка, соответствующего по длине ее относительному количеству (<10 мм). При наличии в сплаве 50% эвтектики на кривой охлаждения сплава будет горизонтальная линия длиной 5 мм.
Сплавы с перитектическим превращением содержат углерода 0,1-0,5%. На
кривой охлаждения фиксируется:
перегиб, указывающий начало кристаллизации с выделением из жидкого сплава кристаллов, богатых тугоплавким компонентом (высокотемпературный феррит - область AHJB);
горизонтальный участок, отвечающий перитектической реакции (ШВ), на котором в условиях равновесия находятся три фазы: кристаллы феррита высокотемпературного, богатые тугоплавким компонентом (AHJB), жидкость и кристаллическая фаза с легкоплавким компонентом - аустенитом (HJN);
перитектическое превращение (t-149SfC) сплавов с содержанием углерода 0,16% заканчивается затвердеванием с образованием структуры феррит и аустенит; для сплавов с содержанием углерода 0,16 - 0,5% имеет место превращение феррита высокотемпературного (Ф ) в аустенит:
Ж + Фв-+Ж + А.
Вторичная кристаллизация - превращение в затвердевшем сплаве (Ж=0%) обуславливается полиморфными превращениями, полным (или частичным) распадом твердого раствора. В чистом железе превращения в твердом состоянии (полиморфное) протекает при постоянной температуре, поэтому на кривых охлаждения (нагревания) при температуре превращений наблюдается горизонтальный участок:
249
А->Ф.
В доэвтектоидных сталях без перитектических превращений (С=0,5-0,8%) первичная кристаллизация начинается при tA 1499 С0 с выделения из аустенита жидкой фазы, сплав Ж+А состоит из двух фаз, и процесс кристаллизации заканчивается на линии солидус. Сплав имеет однофазную структуру аустенита, содержание углерода в котором соответствует содержанию углерода жидкого сплава.
В доэвтектоидных сплавах (до-0,8%) вторичная кристаллизация протекает в следующей последовательности: полиморфное превращение железа Fer -> Fea в интервале температур 910-727 °С и насыщение аустенита
углеродом. Полиморфизм приводит не только к образованию феррита (твердый раствор Feac содержанием углерода до 0,02%), но и к повышению в аустените содержания углерода до 0,8%.
В заэвтектоидных сплавах (0,8<С<2,0%) в интервале температур (линии SE-SK) из аустенита выделяется цементит вторичный. Содержание углерода в аустените при температуре 727°С составляет 0,8%, на линии перлитных превращений А0,8->По, то есть имеет место полиморфное превращение Ао,о2-*Фо,о2 с выделением кристаллов цементита вторичного. Процесс заканчивается образованием структуры П+Ц„. Содержание углерода в перлите составляет 0,8%, в цементите - 6,67%. Соотношение фаз в сплаве при температуре окружающей среды можно определить по правилу отрезков.
В сплаве с содержанием углерода 0,4% в соответствии с диаграммой имеются 5 точек, характеризующих фазовые превращения при понижении температуры (см. рис.1).
В точке 1 t=1500 °C начинается кристаллизация Жо4 с выделением из нее феррита. Правило фаз показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур и указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе. 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. В интервале температур 1500 - 1499°С , С=2+1-2=1.
Охлаждение до t = 1499°C (точка 2) приводит к изменению химического Состава жидкой фазы и феррита. В точке 2 сплав испытывает перитектическое превращение, С=2+1-3=0.
или
Ниже линии JB (точка 2) сплав будет двухфазным: А+Ж, С=2+1-2=1. Кристаллизация закончится по достижении температур, соответствующих линии солидус JE. После затвердевания сплав приобретает однофазную структуру Ды (0,4 - содержание углерода в аустените, %). Точка 3 на диаграмме -температура конца кристаллизации составляет 1450°С .
«,«7 CM
Рис 1. Диаграмма состояния железо-углерод
251
Охлаждение сплава до точки 4 t4=820 °C приводит к измельчению зерен аустенита без изменения химического состава. С дальнейшим понижением температуры по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут, превращаясь в зерна. Количество А (аустенита) уменьшается, а содержание в нем углерода увеличивается, так как Ф (феррит) почти не содержит углерода, С=2+1-2=1.
На линии перлитных превращений (точка 5) содержание углерода в аустените достигает 0,8%. Аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита вторичного, образующих механическую смесь под названием перлит.
Эвтектоидное превращение As протекает при постоянной температуре (площадка на кривой охлаждения) 727°с. При наличии 3 фаз: ФЛЦ Aq» -система нонвариантная С=2+1-3=0. Ниже точки 5 сплав имеет структуру: феррит + перлит, и эта структура сохраняется и до температуры окружающей среды (комнатной температуры), С=2+1-2=1. Сплав такого фазового состава называется доэвтектоидной сталью и содержит углерода 0,4%.
Пример решения задачи по термической обработке детали из углеродистой стали
Термическая обработка представляет собой комплекс операций, выполняемых последовательно: нагрев, выдержка и охлаждение. Параметрами процесса ТО детали и инструмента являются:
• скорость нагрева до температуры гЛ ( vH);
• максимальная температура нагрева сплава определяется по диаграмме Fe-Fe3C для углеродистых сталей и по ГОСТ для легированных сталей;
• время выдержки сплава при температуре нагрева (г^);
• скорость охлаждения нагретой детали (г J.
Технически допустимая (технологическая) скорость нагрева (\'„) устанавливается в зависимости от химического состава стали, структуры, конфигурации изделий, интервала температур нагрева. Скорость нагрева определяется теплопроводностью металла. Изделия из углеродистой стали толщиной до 100 - 120 мм нагревают с любой скоростью, скорость нагрева изделий из легированных сталей в 2 -3 раза меньше.
Время выдержки при температуре нагрева (О необходимо для завершения процессов фазовых (получение аустенита однородного) и структурных превращений по всему объему изделий.
Охлаждение деталей производится для отвода теплоты, осуществляемого теплопроводностью и конвекцией. В процессе охлаждения формируется структура равновесная (отжиг, нормализация) или неравновесная (закалка полная или неполная). Для получения структуры равновесной скорость охлаждения должна быть минимальной, а для неравновесной - максимальной Критической скоростью закалки называется наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит (процесс бездиффузионный). Критическая скорость закалки является срункцией химического состава стали. Низкоуглеродистые стали (С<0,3%) в практических условиях охлаждения образуют мартенсит реечный (пакетный) с минимальной твердостью.
252
Двойникованный (пластинчатый) мартенсит образуется в сталях с содержанием 00,3%, между пластинами мартенсита при комнатной температуре сохраняется остаточный аустенит. Пластинчатый мартенсит имеет максимальную твердость.
Закалка на мартенсит является промежуточной операцией ТО. Закаленные детали подвергают повторному нагреву, выдержке при нагреве и охлаждению Производят отпуск обычно на воздухе. Отпуск обеспечивает уменьшение внутренних напряжений после закаливания с образованием мартенсита (низкий отпуск) и получения структур, приближающихся к структурам равновесным типа троостита (средний отпуск) и сорбита (высокий отпуск).
Многолетней эксплуатационо-производствённой практикой выделены три основные группы изделий, требующие «своих» специфических вязкостно-прочностных комплексов и других технических характеристик:
• режущие и измерительные инструменты;
• штампы для холодной штамповки (HR058 - структура мартенсит или мартенсит с карбидами);,
• рессоры, пружины (40• детали и изделия, сочетающие удовлетворительные прочностные свойства с максимальной вязкостью ( HRC <40 - структура сорбит).
Инструмент из стали У12 (заэвтвктоидная сталь) содержит углерода 1,2 %, в равновесном состоянии имеет структуру п+ци. При промышленных скоростях нагрева под закалку перлит вплоть до температуры нагрева Ась сохраняет пластинчатое строение. При температуре Aq в стали начинается превращение перлита в аустенит Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях феррит-цементит. Превращение состоит из двух параллельно идущий процессов: полиморфного Fea-*Fer перехода и растворения в Fer кристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, по завершении превращения Д (аустенит) сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется определенное время Превращение при температуре 4 сопровождается измельчением зерна.
Нагрев вызывает растворение избыточного цементита в аустените. Процесс сопровождается диффузией, углерода, приводящей к выравниванию концентраций и небольшим укрупнением кристаллов аустенита. Дальнейший нагрев стали в однофазной аустенитной области приводит к дальнейшему росту зерна аустенита - происходит процесс собирательной рекристаллизации. Чем выше температура нагрева и чем длительнее выдержка, тем крупнее будут кристаллы аустенита.
Сталь У12 подвергают неполной закалке для сохранения цементита вторичного в структуре. Нагрев производят до температуры Ас +(30 * 50°с) = 727+40=767°с, температура отмечена на стальном уголке диаграммы как «irf ( 1 этап), рис 2.
253
fCJ
900 ТЧ.
800- ¦ «Ж-
700 It s К
600 -------1!---------------,--------------^ —>
0,4
0,8
U
1,6
2,0 C,%
Рис.2. Стальной уголок диаграммы Fe- FejC
Термическая обработка включает операции (рис.3): неполная закалка (1 нагрев, 2 - выдержка при tA, 3 - быстрое охлаждение) и низкий отпуск (4 нагрев, 5 - выдержка при /« 200°с, 6 - охлаждение).
t°c
X
о Неполная закалка Низкий отпуск Время
Рис.3. График термической обработки ииструментагиз стали У12
Г
1 - нагрев приводит к изменению фазового состава сплава П + ЦЛА + Ц',
2 - выдержка при rw необходима для получения однородного аустенита с равномерным распределением углерода;
3 - быстрое охлаждение со скоростью большей vv в специальной среде Обеспечивает формирование структуры Мм* + Ци + Аост. Сохранение
кристаллов Ц в структуре при неполной закалке заэвтектоидной стали способствует повышению твердости и износостойкости.
Для полного (или частичного) устранения внутренних напряжений, возникающих при закалке, и превращения 4хт в мартенсит производят нагрев Скаленной стали до температуры ниже Ась выдерживают при заданной температуре нагрева и охлаждают с определенной скоростью. Такая ТО называется отпуском. Температура нагрева для углеродистых сталей составляет порядка 150-200°С, такой отпуск называют низким (низкотемпературный). Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент. В результате этой операции сталь заэвтектоидная изменяет структуру и приобретает требуемые эксплуатационные и механические свойства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Берлин В.И., Захаров Б.В., Мельниченко П.А. Транспортное материаловедение. Учеб. для вузов ж.-д. тр-та /Б.В.Захаров.- М.: Транспорт, 1982-287 с.
254
2. Материаловедение: учеб, для высших технических учебных заведений / .Н.Арзамасов, И.И.Сидорин, Г.Ф.Косолапов и др. /Б.Н.Арзамасов.-2-е изд , исп. и доп.- М.: Машиностроение, 1986.- 384 с, ил.
3. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов/ Г.П.Фетисов, М.Г.Карпман, В.М. Матюнин и др./ Г П Фетисов.- М.: Высшая школа, 2000.- 638 с, ил.
4 Марочник сталей и сплавов/В.Г.Сорокин, АБ.Волосникова, С.А. Вяткин и др /В.Г Сорокин.- М.: Машиностроение, 1969.- 640с.
Приложение
Стали , применяемые на железнодорожном транспорте
№ п/п Класс Марка Содержан ие углерода Обозначение Свойства в состоянии поставки ав,МПа Область применения
1 2 3 4 5 6 7
1 Углеродистые обыкновенного качества СтЗсп 0,14-0,22 Группа А, 3-порядковый номер, сп-спокойная 380-490 Малонагруженн ые детали (рамы тележек) с невысокими требованиями к
Ст5сп 0,28-0,37 Группа A f 5-порядковый номер, сп-спокойная 500-640 прочности Детали, воспринимающие небольшие нагрузки (подвеска, тяга и т.д.)
45 0,42-0,5 Спокойная, углероде - 0,45% 598 Втулка шпинтона тележки
45Л 0,42-0,5 Изделия получают Л-литьем, . углерода -0,45% 550 Шатун дизеля 4ДВ-224
2 Углеродистые качественные ОС 0,42-0,5 Заготовки осей 580-660 Заготовки осей для колесных пар
Марка 1 Марка 2 0,44-0,52 0,55-0,65 880-1078 (ТО) 911-1107 (ТО) Целыюкатанные колеса пассажирских вагонов Цельнокатанные колеса фузовых вагонов
255
1 2 3 4 5 6 7
3 Легирован- К78ХС 0,74-0,89 К- 1290 Рельсы Р65
ные Ф конверторная, углерода-0,78%, спокойная, легирована Х-хромом, С-кремнием, Ф-ванадием (ТО)
|
