Определение химического состава фаз,находящихся в равновесии по диаграмме состояния железо-углерод.

 

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей поверхностью раздела. Фазы делятся на твердые, жидкие и газообразные. Фазами могут быть чистые элементы, химические соединения, твердые и жидкие растворы и пары. Природа образующихся фаз определяет вид диаграммы состояния. Процесс кристаллизации подчиняется правилу фаз, которое показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур и какое количество фаз может одновременно существовать.

В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы железо - углерод могут иметь структурные составляющие: феррит, цементит, перлит, аустенит, ледебурит и графит. Физико-химическая природа этих структурных составляющих различна.

 

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. При 723° С в α-железе может содержаться до 0,02% углерода, а при 20° С всего лишь 0,006% углерода. Феррит обладает высокой пластичностью, низкой твердостью (НВ 80-100), прочностью (σь = 25 кгс/мм2) и магнитными свойствами, которые сохраняются до температуры 768° С.

 

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, т. е. карбид железа Fe3C. Цементит содержит 6,63% углерода и до 210°С сохраняет магнитные свойства. Цементит очень хрупкий и обладает твердостью НВ 760-800. В структуре стали и чугуна он находится в виде игл, отдельных включений и сетки, по границам зерен.

 

Перлитом называют механическую смесь феррита с цементитом. Перлит- это продукт распада аустенита при медленном охлаждении. Он может быть пластинчатым или зернистым. В нем содержится 0,8% углерода. Механические свойства перлита зависят от степени измельчения частичек цементита.

 

Ледебурит представляет собой эвтектику, состоящую из цементита и аустенита и образующуюся при кристаллизации жидкого сплава, который содержит 4,3% углерода. Ледебурит обладает высокой твердостью (НВ до 700) и хрупкостью.

 

Чистое железо плавится и затвердевает при 1539°С (точка А), а чугун, содержащий 4,3% углерода, - при 1130°С (точка С).

 

Графит - это кристаллическая разновидность углерода. Он имеет черный цвет и встречается в структуре чугуна и графитизированной стали.

 

 

Определение коэффициента интенсивности напряжений.

K=δ√π*l

Билет №5.

Стали. Их классификация по содержанию углерода,назначению и степени раскисления.

Сталями называют сплавы железа с углеродом с содержанием углерода не более 2,14%. На практике стали являются многокомпонентными сплавами, которые содержат кроме железа и углерода ряд постоянных (технологических) примесей (марганец, кремний, серу, фосфор, азот, водород, кислород и др.), а также могут содер­жать дополнительно вводимые легирующие элементы.

1.1. Классификация сталей по назначению

По назначению стали делят на три класса:

• конструкционные стали общего назначения;

• инструментальные стали;

• конструкционные стали специального назначения.

Конструиционные стали общего назначения предназначе­

ны для изготовления конструкций и сооружений {строительные

стали), а также для деталей машин {машиностроительные ста­

ли).

Инструментальные стали используются для изготовления

режущего, измерительного и штампового инструмента и отли­

чаются повышенным содержанием углерода.

Конструкционные стали специального назначения пред­

назначены для работы в особых условиях эксплуатации, например,

в условиях повышенного износа, коррозии, высоких температур и

т.д., в соответствии с чем эти стали делятся на группы:

• автоматные,

• шарикоподшипниковые,

• износостойкие,

• коррозионностойкие,

• жаростойкие,

• жаропрочные.

 

1.2. Классификация по химическому составу

По химическому составу стали классифицируются на:

• углеродистые,

• легированные.

Углеродистые стали содержат в своем составе железо (Ре), углерод (С) и постоянные примеси (Пр) как полезные (Мп, 81), так и вредные (3, Р, О, М, Н), которые попадают в сталь при выплавке.

Легированные стали дополнительно содержат специально вводимые легирующие элементы, т.е. являются сплавами системы Ре+С+ЛЭ+Пр.

В зависимости от концентрации углерода стали подразделяют на:

• низкоуглеродистые (<0,3% С),

• среднеуглеродистые (0,3-0,7% С),

• высокоуглеродистые (>0,7%С).

Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромомарганцевые и многие другие. По количеству легирующих элементов (%ЛЭ) их разделяют на:

• низколегированные (%ЛЭ < 5%),

• среднелегированные (%ЛЭ от 5 до 10%),

• высоколегированные (%ЛЭ >10%).

 

1.4. Классификация по степени раскисления

Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации. По степени раскисления, т.е. количеству оставшегося в стали кислорода, стали подразделяют на:

• спокойные (< 0,002%О2),

• полуспокойные (<0,01%О2),

• кипящие (<0,02%О2).

В связи с различным содержанием кислорода эти стали отли­чаются характером затвердевания слитка. Спокойные стали полностью раскислены марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения в виде плотного слитка с полноценной усадочной раковиной. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество РеО, который при затвердевании слитка взаимодействует с углеродом с образованием СО. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипящей стали, слиток образуется пористый без усадочной раковины. Полуспокойные стали раскислены марганцем и алюминием и обладают промежу­свойствами.

 

Основные механизмы упрочнения кристаллических материалов.

Механизмы упрочнения

В первой половине XX века высокопрочного состояния в сталях добивались увеличением содержания углерода, мало обращая внимания на их пластичность и вязкость, характер излома и сва- риваемость.

Известно, что углерод образует с железом твердые растворы внедрения и является эффективным упрочнителем. Однако его растворимость в феррите невелика, что приводит к снижению упрочняющего эффекта. Высокая прочность мартенсита закалки сопровождается снижением пластичности и вязкости, что обусловливает необходимость проведения отпуска. При отпуске образуются карбиды, мартенсит обедняется углеродом и снижается действие твердорастворного механизма упрочнения.

Образующиеся довольно крупные частицы цементитного типа в ферритной матрице более тверды и хрупки, чем матрица. По- этому при нагружении на поверхности раздела создается объемно- напряженное состояние, которое может приводить к образованию
микротрещин.

Согласно современным представлениям, деформация определяется движением дислокаций. Следовательно, повышение сопротивления деформации и соответственно высокопрочное состояние могут быть достигнуты созданием цепи препятствий
движению дислокаций.

К основным механизмам упрочнения сталей относятся: измельчение зерна, образование твердых растворов, выделение частиц второй фазы, превращения при термообработке и увеличение плотности дислокаций. Экспериментальные исследования показали, что для большинства сталей действует принцип линейной аддитивности отдельных механизмов упрочнения, т. е. вклады отдельных механизмов в общее упрочнение суммируются:

ст_т = сг₀ + До,. _р, + До_д + Да_д. _у. + Да₃,

где а₀ - сопротивление кристаллической решетки движению дислокаций (напряжение трения решетки, или напряжение Пайерлса - Набарро); Дст_{т р} - упрочнение твердого раствора растворенными легирующими элементами, или твердорастворное упрочнение; Дст_д - упрочнение за счет сопротивления перемещению дислокаций, или дислокационное упрочнение; Дст_{д у} - упрочнение дисперсными частицами второй фазы, образовавшимися при распаде пересыщенного твердого раствора, или дисперсионное упрочнение; Да₃ - упрочнение границами зерен и субзерен, или зернограничное упрочнение. В случае феррито-перлитных сталей добавляется упрочнение за счет присутствия перлита в структуре.

 

Билет №6.