Діаграми стану сплавів та їх зв’язок із властивостями матеріалів

ЗМІСТ

ВСТУП

1. ЗВ’ЯЗОК ДІAГPAМ З ВЛACТИВОCТЯМИ CПЛAВІВ

1.1 Види структур сплавів

1.2 Залежність властивостей сплавів від їх складу

2. ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ ДІАГРАМИ ЗАЛІЗО-ВУГЛЕЦЬ

2.1 Основні методи дослідження сплавів

2.2 Діаграма стану “залізо-цементит”

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Залежність агрегатного та фазового станів сплавів від їх складу та температури встановлюють експериментально за допомогою термічного аналізу - визначення критичних точок перетворень за кривими нагрівання (охолодження). У ряді випадків для визначення критичних точок поряд із термічним аналізом застосовують металографічний,

Діаграмою стану сплавів називають графічне зображення залежності їх фазового складу від температури та концентрації за умов рівноваги.

Структура і властивості чистих металів суттєво відрізняються від структури і властивостей сплавів, що складаються з двох чи більшого числа металів.

Сплавами називають тверді речовини, отримані шляхом дифузії елементів у твердому, рідкому чи газоподібному станах. Залежно від числа елементів (компонентів сплаву) розрізняють двокомпонентні, трикомпонентні та багатокомпонентні сплави. Речовини, що входять до складу сплаву, при твердінні можуть знаходитися у вигляді окремих частинок, зерен обох компонентів (механічна суміш), у вигляді хімічних сполук чи взаємно розчинених один в одному компонентів (твердий розчин).

За отриманими даними будують діаграми стану, які відображають зв’язок між станом сплавів, їх складом і температурою, а також фазові перетворення, які відбуваються в сплавах під час нагрівання й охолодження.

На основі діаграми стану сплавів можна зробити висновки про властивості всіх сплавів. За допомогою діаграми стану можна вибрати температуру нагрівання сплаву в процесі термічної та хіміко-термічної обробки, оброблення тиском. Діаграму стану використовують також у ливарному виробництві для вибору оптимальної температури розплавів при отриманні відливків, а також при виготовленні сплавів. Це робить дослідження діаграм металів та сплавів та їх зв’язку із властивостями сплавів дуже актуальним.

Завданнями роботи було:

- дослідити види структур сплавів;

- дослідити залежність властивостей сплавів від їх складу;

- показати основні методи дослідження сплавів

- показати зв’язок діаграми стану “залізо-цементит” із властивостями сталей.

Метою наступної роботи є дослідження діаграм стану сплавів та їх зв’язку із властивостями матеріалів.

1. ЗВ’ЯЗОК ДІAГPAМ З ВЛACТИВОCТЯМИ CПЛAВІВ

1.1 Види структур сплавів

Сплави типу механічної суміші утворюється з речовин, що не розчинюються і не вступають у хімічну взаємодію між собою у твердому стані з утворенням сполук. Такі сплави складаються із суміші кристалітів речовин, які зберігають власні кристалічні грати. Властивості сплаву будуть визначатися співвідношенням компонентів, що входять до його складу.

Сплави типу хімічної сполуки утворюються при взаємодії різних речовин. Вміст компонентів при цьому повинен бути суворо визначеним. Кристалічні грати сплаву відрізняється від кристалічних гратів компонентів, тому мають інші механічні, фізичні та хімічні властивості.

Сплави типу твердих розчинів бувають трьох видів: тверді розчини заміщення, тверді розчини проникнення і тверді розчини віднімання.

Тверді розчини заміщення утворюються в тих випадках, коли атоми речовини, що розчиняється, заміщують в кристалічних гратах атоми розчинника (рис. 1а). Це можливо, якщо компоненти мають однакові решітки, а розміри їх атомів мало відрізняються один від одного (не більше 15%).

Утворення твердих розчинів проникнення (рис. 1б) відбувається при розчиненні атомів якогось елемента в кристалічних гратах розчинника, тобто коли атоми розчиненого елемента проникають в грати розчинника в проміжках між його атомами. Як правило, тверді розчини проникнення утворюються з неметалами. При цьому параметри кристалічних грат завжди збільшуються (1).

Тверді розчини віднімання (рис. 1в) утворюються тільки в сплавах, що містять хімічні сполуки, коли надлишкові атоми одного з компонентів займають суворо визначені місця в кристалічних гратах, а місця, які повинні бути зайняті атомами іншого компонента, залишаються частково вільними, наприклад у гратах карбідів TiC, WC (місця, що належать вуглецю, залишаються вільними).

Рис. 1.1. Схема розподілу атомів у гратах твердих розчинів

Фазовий стан сплавів залежно від концентрації компонентів і температури зображують графічно. Таке зображення фазового стану сплавів називають діаграмою стану. Оскільки діаграма стану показує стійкий стан системи (сукупність фаз, що знаходяться у рівновазі), то вона є діаграмою рівноваги фаз, існуючих при даних умовах. Стан сплаву, що зображується на діаграмі, належить до рівноважних умов без урахування перегріву чи переохолодження, чого в дійсності бути не може. Внаслідок цього діаграми стану являють собою ідеальний випадок. Математичний опис загальних закономірностей існування стійких фаз, що відповідають умовам рівноваги, дав Гіббс. Цей опис має назву правила фаз і встановлює кількісну залежність між ступенем вільності системи С, кількістю фаз Ф і компонентів К.

Компонентами К називають речовини, що становлять систему і здатні переходити з однієї фази в іншу. Хімічно чистий елемент являє собою однокомпонентну систему. Однокомпонентною системою є й хімічна сполука, що не розкладається на складові частини в інтервалі температур дослідної системи.

Фазою Ф називають однорідну частину системи однакового агрегатного стану і складу, відокремлену від інших фаз поверхнею поділу, перехід якої різко змінює хімічний склад чи структуру речовини. Наприклад, розплавлений метал є однофазною системою, а сплав типу механічної суміші - двофазною і т. ін.

Під числом ступенів вільності С системи розуміють число факторів (температура, тиск, концентрація), які можна змінювати без зміни числа фаз у системі.

Математичний вираз правила фаз можна записати так:

С = К – Ф + 2,

тобто число ступенів вільності рівноважної системи, на яку впливають температура і тиск, дорівнює числу незалежних компонентів системи мінус число фаз плюс два. Тиск при рівновазі не має впливу на процеси перетворення у сплавах, тому при вивченні систем під атмосферним тиском можна користуватися правилом фаз, яке записується так:

С = К – Ф + 1.

Це означає, що, не змінюючи агрегатного стану системи, можна змінювати температуру розплаву.

При кристалізації металу число фаз дорівнює двом (рідка і тверда), а число ступенів вільності дорівнює нулю (С = 1 – 2 + 1 = 0). Це значить, що неможливо змінювати температуру і концентрацію системи без порушення рівноваги і зміни числа фаз до тих пір, доки не зникне одна з фаз і система не перетвориться в однофазну.

Діаграма стану показує зміну фазового стану сплаву від температури і концентрації при постійному тискові. Для двокомпонентної системи на вісі абсцис відкладають концентрацію компонента (сума концентрацій компонентів дорівнює 100%), а на вісі ординат - температуру. Такі діаграми будують за даними термічного аналізу (рис. 1.2), тобто спочатку будують криві охолодження температура-час, а на них визначають температури перетворень за зупинками і згинами на цих кривих.

Рис. 1.2. Перенесення точок згину кривих T - t, отриманих за допомогою термічного аналізу, на діаграму температура - концентрація (приклад для сплавів з небмеженою розчинністю): 1, 4- температура затвердіння чистих металів А і В; 2, 3 - сплави системи А і В

На діаграмах стану крива ліквідуса - границя між гомогенною областю рідкого (розплавленого) стану і гетерогенною двофазною областю (рідкий + твердий стан). Крива солідуса - границя між двофазною (рідка + тверда) областю і твердою фазою.

Характеристика сплаву потребує не тільки якісного, але й кількісного визначення його структурних складових. Усі сплави однієї області діаграми стану мають якісно однакову будову. Для визначення відносної кількості (маси) співіснуючих фаз і структурних складових одного сплаву користуються правилом відрізків коноди (2).

Конода - це відрізок горизонтальної лінії, або ізотерма, проведена всередині двофазної області діаграми стану до перетину з лініями границь двофазної області. Так, конода АЕ (рис. 1.3) проведена між вертикальною лінією для чистого компонента А і лінією ліквідуса. Точка перетину коноди з лінією ліквідуса (точка Е) вказує на склад рідкої частини сплаву. Спроектувавши точку Е на вісь концентрацій, можна визначити хімічний склад рідини, прочитавши на вісі концентрацій, скільки процентів металу В (а потім і металу А) є в рідкому (розплавленому) сплаві при даній температурі.

Рис. 1.3. Визначення кількості складових сплаву за діаграмою стану

Нехай потрібно визначити кількісне співвідношення між рідкою і твердою частиною сплаву І - І при температурі .

Як видно (рис. 1.3), сплав при цій температурі складається з кристалів компонента А і рідкого сплаву складу, що відповідає точці Е.

Введемо позначення: Q_т - кількість (маса) твердої частини сплаву (в даному випадку кристалів A); Q_р - кількість (маса) рідкої частини сплаву (в даному випадку складу Е); Q_заг - загальна кількість (маса) сплаву.

Загальна кількість сплаву буде дорівнювати сумі рідкої і твердої частин: Q_заг = Q_р + Q_т .

За правилом відрізків коноди загальну масу сплаву прирівнюють до довжини коноди (АЕ при температурі ), і тоді кількість рідкої фази Q_р і кількість твердої фази Q_т визначається відрізками коноди  і , які утворилися при перетині коноди з лінією сплаву І - І.

Згідно з правилом відрізків коноди кількість рідкої фази дорівнює відношенню довжини відрізка коноди, прилеглого до точки складу твердої фази, до довжини усієї коноди: Q_р = ´100% (множення отриманого відношення АЕ відрізків на 100% дає можливість в процентах виразити кількість рідкої частини сплаву).

Кількість (чи маса) твердої фази сплаву дорівнює відношенню довжини відрізка коноди, прилеглого до точки складу рідкої фази, до довжини всієї коноди:

Q_т = ´100 %.

Отже, для визначення кількості рідкої і твердої фаз сплаву за діаграмою стану потрібно зробити так:

1. Відновити перпендикуляр до точки, що характеризує склад даного сплаву (тобто провести лінію сплаву).

2. При заданій температурі провести коноду - горизонтальну лінію (ізотерму) до перетину з лініями, що обмежують дану область.

3. Співвідношення між рідкою і твердою частинами сплаву буде обернено пропорційне відрізкам, на які лінія сплаву поділяє коноду.

4. Для визначення кількості твердої частини сплаву потрібно взяти відношення довжини відрізка, прилеглого до рідкої частини сплаву, до довжини всієї коноди.

5. Для визначення кількості рідкої частини сплаву потрібно взяти відношення довжини відрізка, прилеглого до твердої частини сплаву, до довжини всієї коноди.

Існують такі типи подвійних діаграм стану (3).

1. Подвійна діаграма стану системи для випадку повної нерозчинності компонентів у твердому стані, утворення евтектики і повної розчинності компонентів у рідкому стані (рис. 1.4).

Рис. 1.4. І - гомогенний розплав; ІІ – А-кристали і розплав; ІІІ - В-кристали і розплав; IV - А-кристали і евтектика; V – В-кристали і евтектика; 1 - доевтектичні сплави; 2 - заевтектичні сплави; Е - евтектика

2. Подвійна діаграма стану системи для випадку необмеженоі розчинності компонентів у рідкому і твердому станах (рис. 1.5).

Рис. 1.5. І - гомогенний розплав (С = 2; К = 2; Ф = l); ІІ - розплав і твердий розчин (С = 1; K = 2; Ф = 2); ІІІ - тверда фаза (С = 2) - твердий розчин заміщення

3. Подвійні діаграми стану системи для випадку необмеженої розчинності компонентів у рідкому стані та обмеженої їх розчинності у твердому стані. Поділяються на діаграми з евтектикою (рис. 1.6.1) і перитектикою (рис. 1.6.2).

Рис. 1.6.1. Подвійна діаграма стану системи з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані і евтектичним перетворенням: І - розплав; ІІ –розплав + a-твердий розчин; ІІІ – розплав + b-твердий розчин ; ІV - a‑твердий розчин; V - b-твердий розчин; VI - a- і b-тверді розчини

Рис. 1.6.2. Подвійна діаграма стану системи з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані і перитектичним перетворенням; позначення такі ж, як на рис. 6.1

Тверді розчини на базі решітки А-компонента позначаються a‑твердими розчинами, на базі решітки В-компонента - b-твердими розчинами. Вони можуть бути твердими розчинами проникнення чи заміщення.

4. Подвійна діаграма стану системи для випадку утворення інтерметалічних фаз. У загальному вигляді інтерметалічна фаза позначається як A_mB_n .

Утворення інтерметалічних фаз можливе:

а) при кристалізації з розплаву; решітки компонентів А і В визначають можливість лише обмеженої розчинності; конгруентно плавкі сплави з температурним мінімумом на лінії ліквідуса;

б) в результаті перитектичного перетворення як наслідок реакції між двома розплавами; неконгруентно плавкі сплави (так званий закритий максимум).

Інтерметалічна фаза поводить себе при твердінні, як чиста речовина (рис. 1.7).

Рис. 1.7. І - розплав; ІІ - розплав + a-твердий розчин; III - розсплав + b-твердий розчин; IV - розплав + A_mB_n; V - a-твердий розчин; VI - b-твердий розчин; VII - a-твердий розчин + A_mB_n; VIII - b-твердий розчин + A_mB_n; IX - A_mB_n

1.2 Залежність властивостей сплавів від їх складу

У сплавах, які створюють одноманітні діаграми стану, властивості змінюються ідентично. Були розроблені спеціальні діаграми склад - властивість. Такі діаграми є цінним доповненням до діаграм стану сплавів, тому що вони для кожної системи характеризують зміну тієї або іншої властивості сплаву в залежності від складу. На рис.1.7.2. у верхньому ряду зображені діаграми стану, у середньому - діаграма зміни твердості, у нижньому - діаграма зміни електропровідності. У сплавах типу Рв-Sв (діаграма стану з механічними сумішами) властивості змінюються прямолінійно від одного компонент до іншого.

Крім твердості, міцності, електропровідності діаграми стану дають можливість визначити ливарні властивості, здатність піддаватися гарячій механічній обробці, обробці різанням та ін. Величина перепаду температур між точками ліквідус і солідус визначає ступінь ліквації та можливої неоднорідності сплаву; евтектичні сплави мають кращі ливарні властивості та оброблюваність різанням; сплави - тверді розчини, які добре обробляються тиском. Побудовою кривих у координатах температура-час. Якщо при охолодженні сплаву в ньому відбуваються фазові перетворення, які супроводжуються виділенням тепла, то на кривій появляються горизонтальні ділянки або зломи. Такі зломи і горизонтальні ділянки дають змогу визначити температуру перетворень. Для подвійних сплавів існує чотири типи діаграм стану:

- діаграми стану механічних сумішей;

- діаграми стану з необмеженими твердими розчинами;

- діаграми стану з обмеженими твердими розчинами;

- діаграми стану з хімічними сполуками.

Розглянемо діаграму стану подвійних сплавів, компоненти яких у твердому стані утворюють механічні суміші.

Такого типу діаграму утворює сплав свинець-сурма. Для побудови даної діаграми побудуємо шість кривих охолодження для сплавів із вмістом сурми 5, 10, 13, 20, 40 і 80 % (рис1.8.1.). На цих кривих охолодження ми бачимо по дві критичні точки (а, б, г, д, е) і тільки на одній кривій (в) для сплаву з 13 % одну критичну точку. Верхні критичні точки відповідають початку кристалізації, нижні – завершенню кристалізації.

Діаграму будують так: відкладають у масштабі по абсцисі точки за складом сплавів, приймаючи, що ліворуч буде чистий свинець, а праворуч – чиста сурма. По вертикалі розмітимо шкалу температури і відкладемо критичні температури зазначених сплавів. Свинець має температуру плавлення 600 0К, сурма – 903 0К. Сполучивши нижні критичні точки, маємо пряму ДВЕ, а сполучивши верхні точки - криву АВС.

Вище лінії АВС усі сплави перебувають у рідкому стані. Лінія АВС називається лінією ліквідус. Нижче від лінії ДВЕ усі сплави перебувають у твердому стані. Вона називається лінією солідус.

У точці В при вмісті 13 % , 87 % і при температурі 519 0К кристалізація свинцю та сурми відбувається одночасно; утворюється тонка механічна суміш кристалів свинцю і сурми (двох фаз). Ця суміш називається евтектикою. Евтектика - сплав з найменшою температурою плавлення. Сплави, які містять менш як 13 % , називаються доевтектичними, а які містять більше як 13 % - заевтектичними. Точку В називають евтектичною точкою.

Узагальнюючи викладене, можна зробити такі висновки:

- по лінії АВ починається випадання кристалів свинцю;

- в області АВД містяться кристали свинцю і рідкий розчин;

- по лінії ВД кристалізується весь маточний розчин евтектичного складу;

- нижче лінії ВД містяться тверді доевтектичні сплави, які складаються з кристалів свинцю та евтектики;

- по лінії ВС починається випадання кристалів сурми;

- в області СВЕ містяться кристали сурми і рідкий розчин;

- по лінії ВЕ кристалізується весь маточний розчин евтектичного складу, що залишається;

- нижче від лінії ВЕ містяться тверді заевтектичні сплави, які складаються з кристалів сурми та евтектики.

сплав атом розчин сталь

2. ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ ДІАГРАМИ ЗАЛІЗО-ВУГЛЕЦЬ

2.1 Основні методи дослідження сплавів

На даному етапі для дослідження всіх властивостей металів розроблені відповідні методики та устаткування.

Для дослідження механічних властивостей використовують механічні випробування. Найбільш поширеними є випробування на твердість, статичний розтяг, динамічні випробування, на втомленість, повзучість та зношування, які свідчать про властивості металів.

Статичні - це такі випробування, при яких метал, що випробовують піддають дії постійної сили або сили, яка зростає дуже повільно.

Динамічними називають випробування, при яких метал піддають впливу удару або сили, яка зростає дуже швидко. Статичне випробування на розтяг - поширений спосіб механічних випробувань металів. Для цього випробування виготовляються спеціальні зразки, які розриваються на спеціальних розривних машинах. На розривних машинах одержують діаграму розтягу, по якій можна визначити: межу текучості, межу міцності, відносне видовження і відносне звуження.

Межею текучості називається найменше напруження, при якому без помітного збільшення навантаження продовжується деформація досліджуваного зразка.

Межу текучості визначають за формулою:

Gт = Pт / F0 ,

де Pт - навантаження текучості;

F0 - поперечний переріз робочої частини зразка до випробування.

Умовне напруження, яке відповідає найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка, називається межею міцності і визначається за формулою:

Gв = Pв / F0,

де Pв - навантаження, що передує розриву зразка.

По відносному видовженні і звуженні оцінюють пластичність металів. Відносне видовження і звуження вимірюють у відсотках (%).

Відносне видовження визначають за формулою:

G = l1 – l0 / l0 · 100(%),

де l1 - довжина зразка після розриву; l0 - довжина зразка до розриву.

Відносне звуження визначають за формулою:

Х=F0 – F1 / F0 ·100(%),

де F0 - початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка; F1 - площа поперечного перерізу після розриву.

Твердість визначають за такими методами: методом Брінелля, методом Роквелла, методом Віккерса.

Метод Брінелля заснований на вдавлюванні твердої кульки у досліджуваний метал. Твердість по Брінеллю розраховується за формулою:

НВ = Р/F

де P - навантаження на кульку; F - величина поверхні відбитка.

Принцип вимірювання твердості по Роквеллу заснований на вдавлюванні у досліджуваний метал стальної кульки Ø = 1,58 мм або конуса з кутом 1200 .

Метод Віккерса дає можливість вимірювати твердість як м¢яких так і дуже твердих металів і сплавів. Він придатний для визначення твердості тонких поверхневих шарів. За цим методом у зразок вдавлюють чотиригранну алмазну піраміду з кутом при вершині 1360.

Крім цього, для визначення механічних властивостей металів використовують такі випробування:

- випробування на ударний згин;

- випробування на втомленість.

Випробування технологічних властивостей найбільш прості. Вони визначають можливість проводити ті чи інші технологічні операції з даним металом або застосовувати його у тих чи інших умовах. З них найбільш поширеними є випробування: на вдавлювання, на перегин, на іскру, зварюваність, ковкість, рідинотекучість та ін.

Для дослідження мікро- і макроструктури, а також визначення вад внутрішньої будови металів, використовують такі методи: макроаналіз, мікроаналіз, рентгеноструктурний аналіз, магнітна дефектоскопія, застосування радіоактивних ізотопів тощо.

2.2 Діаграма стану “залізо-цементит”

Щоб добре розумітися на мікроструктурах залізовуглецевих сплавів, потрібно ретельно вивчити діаграму “залізо-цементит”.

Діаграма стану Fe–F₃С (залізо - цементит) репрезентована на рис. 2.2. На вісі абсцис на діаграмі наведений вміст вуглецю і цементиту. Кількість цементиту в сплаві дорівнює 15-кратному вмісту вуглецю.

На діаграмі є вісім однофазних ділянок: на лівій вісі ординат відрізок AN відповідає a(d)-залізу, відрізок NG - g-залізу, відрізок нижче точки G - a-залізу.

Рис. 2.2. Діаграма стану “залізо-цементит”

Оскільки кожна з цих модифікацій заліза взаємодіє з вуглецем, то діаграму стану можна розглядати як триповерхову, що складається з частин І, ІІ, ІІІ (рис. 2). Всі модифікації заліза утворюють з вуглецем тверді розчини проникнення. В області AHN твердий розчин вуглецю в a-залізі - ферит (Ф) (іноді позначають d-твердий розчин). В області AJESG твердий розчин вуглецю в g-залізі - аустеніт (А). В області GSO твердий розчин вуглецю - в низькотемпературній модифікації a-заліза (Ф).

Розчинність вуглецю в a-залізі вельми незначна, при температурі 600°С становить близько 0,01%.

У g-залізі розчинність вуглецю доходить до 2,14%.

Права ордината DFKL діаграми Fe–Fе₃С (рис. 2) відповідає цементиту. Область вище лінії ліквідус ABCD відповідає рідкому стану (Р).

Складний вид діаграмми Fe–Fе₃С пояснюється тим, що залізо володіє поліморфними перетвореннями у твердому вигляді. Поліморфізм заліза обумовлює і поліморфні перетворення в залізовуглецевих сплавах.

У залізовуглецевих сплавах можливі три перетворення, за яких число ступенів свободи дорівнює нулю, тобто має місце співіснування трьох фаз.

При 1499°С (лінія HJB, Р + d ® А) має місце перитектичне перетворення (рис. 2.2).

При 1147°С (лінія ЕСF, Р_4,3 ® Е (А + Ц) - ледебурит (Л)) має місце  евтектичне перетворення.

У результаті евтектичного перетворення утворюється евтектична суміш аустеніту і цементиту, яка називається ледебуритом.

При 727°С (лінія РSK, А_0,8 ® Е (Ф + Ц) - перліт) має місце евтектоїдне перетворення.

Як результат цього перетворення утворюється евтектоїдна суміш фериту і цементиту, що називається перлітом.

Зіставляючи структури типових залізовуглецевих сплавів (рис. 2.3 і 2.4), їх можна розділити на дві групи: сплави з вмістом вуглецю до 2,14% не мають у структурі евтектики - ледебуриту; у сплавах з вмістом вуглецю вище 2,14% є ледебуритна структурна складова.

Рис. 2.3. Мікроструктури сталей: а - С = 0,05 %, структура Ф + Ц_ІІ; б - С = 0,15 %, доевтектоїдна сталь, структура Ф + П; в - С = 0,35 % доевтектоїдна сталь, структура Ф + П; г - С = 0,8 %, евтектоїдна сталь, структура - пластинчастий перліт П; д - С = 0,8 %, евтектоїдна сталь, структура - зернистий перліт П; е - С = 1,2%, заевтектоїдна сталь, структура П + П_ІІ; (´500)

Відсутність у структурі сплавів (з вмістом вуглецю менше 2,14%) крихкої евтектики робить сплави ковкими і пластичними, що є характерною особливістю сталей. У той же час наявність легкоплавкого ледебуриту в структурі сплавів (з вмістом вуглецю вище 2,14 %) збільшує ливарні якості цих сплавів.

Відповідно до діаграми Fe–Fе₃С залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю менше 2,14% називаються сталями, сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 % - чавунами. Чавуни, що кристалізуються відповідно до діаграми Fe–Fе₃С, відрізняються високою крихкістю. Колір їх злому сріблясто-білий. Такі чавуни називаються білими (на відміну від сірих, ковких і високоміцних чавунів, у структурі яких вуглець в основному знаходиться у вигляді графітової фази) (6).

За кількістю вуглецю і за структурою сталі поділяються на: доевтектоїдні (0,02% < С < 0,8%), структура перліт + ферит (П + Ф); евтектоїдні (С = 0,8%), структура перліт (П); заевтектоїдні (0,8 % < С < 2,14%), структура перліт + вторинний цементит (П+Ц_ІІ). Типові структури сталей наведені на рис. 2.3 а...е.

За кількістю вуглецю і за структурою білі чавуни поділяються на доевтектичні (2,14% < С < 4,3%), структура ледебурит + перліт + + вторинний цементит (П + Л + Ц_ІІ); евтектичні (С = 4,3%), структура ледебурит (Л); заевтектичні (4,3% < С < 6,67%), структура ледебурит + + цементит (Л + Ц_І). Типові структури білих чавунів наведені на рис. 2.4 а, б, в.

Рис. 2.4. Мікроструктури білих чавунів: а - С = 3,2% - доевтектичний білий чавун; структура Л + П + Ц; б — структура - ледебурит Л; в - С = 5% - заевтектичний білий чавун, структура Л + Ц_І; (´250)

Структура чавунів залежить від ступеня графітизації, тобто від того, яка кількість вуглецю, що входить до складу чувуну, знаходиться в хімічно зв’язаному стані (С_зв, %) у вигляді цементиту. Крім білих чавунів, за цією ознакою ще розрізняють:

половинчасті чавуни: С_зв > 0,8%; структура чавуну - перліт + + ледебурит + графіт (П + Л + Г);

перлітні сірі чавуни: С_зв = 0,8%; структура – перліт + графіт (П + + Г);

феритно-перлітні сірі чавуни: 0,8% > С_зв > 0,02 %; структура - перліт + ферит + графіт (П + Ф + Г);

феритові сірі чавуни: С_зв = 0%; структура - ферит + графіт (Ф + Г).

Вплив термічної та хіміко-термічної обробки на властивості та структуру сталей є наступним (7).

Термічною обробкою називають процес, що складається з нагріву металу до відповідної температури, витримки його при цій температурі і охолодження з певною швидкістю. При термічній обробці змінюється структура сталі, що веде до зміни її властивостей. Таким чином, шляхом термічної обробки сталі одного и того ж складу можна змінювати її властивості.

Термічна обробка сталі грунтується на здатності заліза змінювати будову кристалічної решітки при зміні температури, а також на різній розчинності вуглецю в кристалічних решітках різної будови (8).

Існують такі види термічної обробки: гартування, відпуск, відпал, нормалізація і хіміко-термічна обробка (цементація, азотування, ціанування).

Найбільші структурні перетворення сталі відбуваються при гартуванні. Від усіх інших видів термічної обробки гартування відрізняється високою швидкістю охолодження. Залежно від швидкості охолодження загартована сталь має різну структуру: сорбітну, троститну або мартенситну.

Сорбітна структура складається з суміші фериту і цементиту високого ступеня дисперсності, що приводить до підвищення твердості й крихкості сталі. Під мікроскопом сорбітна структура має вид феритно-цементитної структури, одначе розмір зерен в ній значно менший.

Трооститна структура cкладається також із суміші фериту й цементиту високого ступеня дисперсності. У металографічному мікроскопі трооститна структура проявляється у вигляді дуже темних ділянок. Сталь трооститної структури значно твердіша і більш крихка, ніж сорбітна.

Мартенситна структура сталі значно відрізняється від сорбітної й трооститної структур. Мартенсит є перенасиченим твердим розчином вуглецю в a-залізі. Його кристалічна решітка має значні зміни, що обумовлюють найвищу твердість і крихкість сталі. Під мікроскопом загартована на мартенсит сталь має голчасту структуру.

ВИСНОВКИ

Зв'язок між властивостями сплавів і типом діаграми стану був вперше встановлений М.С. Курнаковим.

По осях ординат діаграм відкладають показники властивостей (границю міцності, твердість, електричний опір та ін.), а по осях абсцис — концентрацію сплаву.

У сплавах, які твердіють за діаграмою стану І типу, в твердому стані міститься механічна суміш вихідних компонентів. Зміна властивостей цих сплавів відбувається за лінійним законом.

Властивості сплавів, які тверднуть за діаграмою стану II типу (які утворюють тверді розчини), змінюються по кривій лінії. Це зумовлено тим, що внаслідок викривлення кристалічної решітки розчинника твердий розчин має більш високу міцність і твердість, ніж вихідні компоненти. Таким чином, тверді розчини мають підвищене значення твердості і границі міцності. При цьому високі показники міцності звичайно поєднуються з високою пластичністю. Тому сплави, які утворюють однорідні тверді розчини, звичайно легко обробляються тиском (прокатування, кування, штампування). У той самий час вони мають низькі ливарні властивості (схильні до утворення тріщин при кристалізації). Утворення твердих розчинів завжди призводить до збільшення електричного опору.

При утворенні твердих розчинів з обмеженою розчинністю (кристалізуються за діаграмою стану III типу, див. рис. 1.6) властивості однофазних твердих розчинів змінюються за кривою, а властивості суміші двох фаз — за прямою.

Ливарні властивості сплавів, які утворюють тверді розчини з обмеженою розчинністю, залежать від інтервалу температур кристалізації. Чим більший цей інтервал, тим менша текучість сплаву і тим більша його схильність до ліквації. Тому для одержання добрих ливарних властивостей концентрація компонентів сплавів повинна бути близькою до евтектичного складу.

Однофазні сплави твердих розчинів з обмеженою розчинністю мають високу пластичність і добре прокатуються, куються, пресуються. Проте при появі у структурі евтектики пластичність різко знижується.

Характерною особливістю властивостей сплавів, які кристалізуються за діаграмою сплаву IV типу, є велика твердість, підвищена крихкість, високий електричний опір, низька схильність до пластичної деформації. Властивості залежать від складу по прямій лінії (в ряді випадків по кривій). Дві прямі перетинаються у точці, яка відповідає чистій хімічні сполуці і називається сингулярною точкою. Концентрація, яка відповідає хімічній сполуці, має максимум або мінімум властивостей (наприклад, максимальну твердість і мінімальну пластичність).

Твердість багатьох хімічних сполук значно перевищує твердість більш твердого компонента. Наприклад, Sn і Mg, Cu і Sn утворюють дуже тверді хімічні сполуки Mg₂Sn, Cu₃Sn тощо. Особливо різко підвищується твердість при утворенні хімічних сполук деяких металів з металоїдами — С і N. Карбіди Сг, W, V, Ті та інших металів мають дуже високу твердість. Через це дані хімічні сполуки широко застосовуються для виготовлення різального інструменту.

ЛІТЕРАТУРА

1. Материаловедение: Учебник для вузов / Ю.Л. Солнцев, Е.И. Пряхин, Ф. Войткун - М.: МИСИС, 1999. - С. 128-170.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. — 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - C. 37-67.

3. Венецкий С.И. Рассказы о металлах. — 2-е изд., доп. — М.: Металлургия, 1975. — 240 с.

4. Волчок И.П. Сопротивление разрушению стали и чугуна. — М.: Металлургия, 1993. — 192 с.

5. Конструкционные материалы: Справочник. / Б.Н. Арзамасов, В.А. Прострем, И.А. Буше и др. / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 1990. — 688 с.

6. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей: Справочник. / Под общ. ред. В.Д. Кальнера. — М.: Машиностроение, 1984. — 384 с.