Пейсахов A. M. Материаловедение

СОДЕРЖАНИЕ

УДК 621.7

ББК 34.2

П 35

Пейсахов А.М.

П-35 Материаловедение: конспект лекций.

СПб.: Изд-во Михайлова В. А., 2000.— 73 р.

ISBN 5-8016-0107-4

Настоящий конспект лекций подготовлен в ссчугветствии с дей­ствующими образовательными стандартами. В нем дана классифика­ция материалов, рассмотрено их строение, свойства, методы оценки качества. Изложены сведения о термической и химико-термической обработке. Приведены основные виды материалов, их маркировка. Рассмотрены технико-экономические проблемы использования мате­риалов. Конспект лекций предназначен для студентов ряда техничес­ких и экономических специальностей вузов.

ISBN 5-8016-0107-4

© Пейсахов Л. М. ' " © Издательство Михайлова В. А.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. КАЧЕСТВО И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 6

1.1. Качество материалов и его оценка 6

1.2. Механические свойства материалов 7

1.3. Технология материалов и технологические

свойства 10

1.4. Физические, химические и эксплуатационные

свойства материалов 12

2. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ 14

2.1. Строение металлов 14

2.2. Металлические сплавы 19

3. СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ 24

3.1. Диаграмма состояния железоуглеродистых

сплавов 24

3.2. Стали 26

3.3. Чугуны 29

4. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ

ОБРАБОТКА СТАЛИ 32

4.1. Отжиг 32

4.2. Закалка и отпуск стали 34
4.3 Поверхностное упрочнение стали 37

5. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ 41

5.1. Конструкционные стали 41

5.2. Стали со специальными свойствами > 45

5.3. Инструментальные стали и сплавы 48

6. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И С, ПЛАВЫ 51

6.1. Алюминий и его сплавы

6.2. Медь и ее сплавы 52

6.3. Сплавы других цветных металлов 54

Пейсахов A.M. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

 

7. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

7.1. Пластические массы

7.2. Резиновые материалы

7.3. Древесные материалы

7.4. Неорганические материалы
7.5 Композиционные ^материалы"⁵

«.. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ, ' ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

8.1. Экономически обоснованный выбор материала, 8.2. Основные направления экономии материалов

56 56 59 61 63 64

67 67 69

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение — наука о связях между составом, строени­ем и свойствами материалов и закономерностях их изменений при внешних физико-химических воздействиях.

Все материалы по химической основе делятся на две основные группы — металлические и неметаллические. К металлическим от­носятся металлы и их сплавы. Металлы составляют более 2/3 всех известных химических элементов.

В свою очередь, металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе — стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чи­стые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами и поэтому их применение ограничивает­ся теми случаями, когда необходимо использовать их специаль­ные свойства (например, магнитные или электрические).

Практическое значение различных металлов не одинаково. Наи­большее применение в технике приобрели черные металлы. На осно­ве железа изготавливают более 90% всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химичес­ких свойств, которые делают их незаменимыми. Из цветных метал­лов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, медь, магний, титан и др.

Кроме металлических, в промышленности значительное место занимают различные неметаллические материалы — пластмассы, керамика, резина и др. Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металли­ческими материалами. Но использование их в промышленности не­велико (до 10%) и предсказание тридцатилетней давности о том, что неметаллические материалы к концу века существенно потеснят ме­таллические, не оправдалось.

Пейсахов A.M. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

1. КАЧЕСТВО И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

 

1. КАЧЕСТВО И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Металлические сплавы

Металлическим сплавом называется материал, полученный сплав­лением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обла­дающий металлическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав называются компонентами. Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму размер и характер взаимного распо­ложения фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строе­ние с присущими им характерными особенностями.

Виды сплавов по структуре. По характеру взаимодействия ком­понентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механи­ческие смеси, химические соединения и твердые растворы.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристалличес­кую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состо­ящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения ком­понентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам свойства смеси.

Химическое соединение образуется когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. При этом при этом соотношение чисел атомов в соединении соответствует его химичес­кой формуле A_mB_n. Химическое соединение имеет свою кристалли­ческую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеют однородную структу­ру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.

Пейсахов A.M. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

При образовании твердого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Твердые растворы заме­щения образуются в результате частичного замещения атомов крис­таллической решетки одного компонента атомами второго (рис. 6,б.). Твердые растворы внедрения образуются когда атомы растворенного компонента внедряются в кристаллическую решетку компонента -растворителя (рис. 6,в.). Твердый раствор имеет однородную струк­туру, одну кристаллическую решетку. В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определен­ном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Обо­значают твердые растворы строчными буквами греческого алфавита-а, р, у, б и т. д.

Рис. 8. Кривые охлаждения сплавов: а - механической смеси, б - твердого раствора.

Диаграмма состояния. Диаграмма состояния показывает строе­ние сплава в зависимости от соотношения компонентов и от темпера­туры. Она строится экспериментально по кривым охлаждения спла­вов (рис. 8). В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур. Поэтому на кривых охлаждения сплавов имеется две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (t), начина­ется кристаллизация. В нижней критической точке, которая называ­ется точкой солидус (t_c), кристаллизация завершается. Кривая охлаж­дения механической смеси (рис. 8,а) отличается от кривой охлаждения твердого раствора (рис. 8,б) наличием горизонтального участка. На этом участке происходит кристаллизация эвтектики. Эвтектикой на­зывают механическую смесь двух фаз, одновременно кристаллизовав­шихся из жидкого сплава. Эвтектика имеет определенный химичес­кий состав и образуется при постоянной температуре.

2. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Диаграмму состояния строят в координатах температура-концен­трация. Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазо­вых состояний. Вид диафаммы зависит от того, как взаимодейству­ют между собой компоненты. Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов раз­личных концентраций. При построении диаграммы критические точ­ки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму и соединяются линией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия диаграммы состояния на ко­торой при охлаждении начинается кристаллизация сплава называется линией ликвидус, а линия на которой кристаллизация завершается — линией солидус.

Виды диаграмм состояния. Диаграмма состояния сплавов, обра­зующих механические смеси (рис. 9), характеризуется отсутствием растворения компонентов в твердом состоянии. Поэтому в этом спла­ве возможно образование трех фаз: жидкого сплава Ж, кристаллов А и кристаллов В. Линия АСВ диаграммы является линией ликвидус: на участке АС при охлаждении начинается кристаллизация компонента А, а на участке CD — компонента В. Линия DCB является линией солидус, на ней завершается кристаллизация А или В и при постоян­ной температуре происходит кристаллизация эвтектики Э. Сплавы концентрация которых соответствует точке С диаграммы называются эвтектическими, их структура представляет собой чистую эвтектику. Сплавы, расположенные на диаграмме левее эвтектического, называ­ются доэвтектическими, их структура состоит из зерен А и эвтекти­ки. Те сплавы которые на диаграмме расположены правее эвтектичес­кого, называются заэвтектическими, их структура представляет собой зерна В, окруженные эвтектикой.

Пейсахов A.M. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

2. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

 

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимос-тью компонентов в твердом состоянии изображена на рис. 10. Для этого сплава возможно образование двух фаз: жидкого сплава и твер­дого раствора а. На диаграмме имеется всего две линии, верхняя является линией ликвидус, а нижняя — линией солидус.

⁰ Содержание В, % 100 0 F Содержание В, % G100

Рис. 10. Диаграмма Рис. 11. Диаграмма состояния сплавов с

состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов

неограниченной в твердом состоянии.
растворимостью.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии показана на рис. 11. В этом сплаве могут существовать три фазы — жидкий сплав, твердый раствор а компонента В в компоненте А и твердый раствор (3 компонента А в компоненте В. Данная диаграмма содержит в себе элементы двух пре­дыдущих. Линия АСВ является линией ликвидус, линия ADCEB — линией солидус. Здесь также образуется эвтектика, имеются эвтек­тический, доэвтектический и заэвтектический сплавы. По линиям FD и EG происходит выделение вторичных кристаллов <х_п и р_ц (вслед­ствие уменьшения растворимости с понижением температуры). Про­цесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы называется вторичной кристаллизацией.

А В m n

Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соеди­нение (рис.12) характеризуется наличием вертикальной линии, соот­ветствующей соотношением компонентов в химическом соединении А_тВ_п. Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рас­сматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых одним из компонентов с химическим соединением. На рис. 12 изоб­ражена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образу­ет с химическим соединением механическую смесь.

0 Содержание В, % 100

Рис. 12. Диаграмма состояния сплавов образующих

химическое соединение.

Пейсахов A.M. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

3. СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

 

3. СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

Стали

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углеро­да содержится не более 2,14%. Это теоретическое определение. На практике в сталях, как правило, не содержится углерода более 1,5%.

Влияние углерода и примесей на свойства стали. Углерод суще­ственно влияет на свойства стали даже при незначительном измене­нии его содержания. В стали имеются две фазы — феррит и цементит (частично в виде перлита). Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Как уже говорилось, феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твердостью, а це­ментит, напротив, очень низкой пластичностью и высокой твердо­стью. Поэтому с повышением содержания углерода до 1,2% снижают­ся пластичность и вязкость стали и повышаются твердость и прочность.

Повышение содержания углерода влияет и на технологические свойства стали. Ковкость, свариваемость и обрабатываемость реза­нием ухудшаются, но литейные свойства улучшаются.

Кроме железа и углерода в стали всегда присутствуют постоянные примеси. Наличие примесей объясняется технологическими особен­ностями производства стали (марганец, кремний) и невозможностью полного удаления примесей, попавших в сталь из железной руды (сера, фосфор, кислород, водород, азот). Возможны также случайные при­меси (хром, никель, медь и др.).

Марганец и кремний вводят в любую сталь для раскисления, т.е. для удаления вредных примесей оксида железа FeO. Марганец также устраняет вредные сернистые соединения железа. При этом содер­жание марганца обычно не превышает 0,8%, а кремния — 0,4%. Марганец повышает прочность, а кремний упругость стали.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажает кристалли­ческую решетку, снижая при этом пластичность и вязкость, но по­вышая прочность. Вредное влияние фосфора заключается в том, что он сильно повышает температуру перехода стали в хрупкое состоя­ние, т.е. вызывает ее хладноломкость. Вредность фосфора усугубля­ется тем, что он может распределяться в стали неравномерно. По­этому содержания фосфора в стали ограничивается величиной 0,045%.

Сера также является вредной примесью. Она нерастворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который образует с железом легкоплавкую эвтектику. Эвтектика располагается по гра­ницам зерен и делает сталь хрупкой при высоких температурах. Это явление называется красноломкостью. Количество серы в стали ог­раничивается 0,05%.

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших ко­личествах. Они являются вредными примесями, ухудшающими свой­ства стали.

Классификация сталей. По химическому составу стали могут быть углеродистыми, содержащими железо, углерод и примеси и легированными, содержащими дополнительно легирующие элемен­ты, введенные в сталь с целью изменения ее свойств.

По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25 — 0,7% С) и высокоуглеро­дистые (более 0,7% С).

По назначению различают стали конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений, инстру­ментальные, идущие на изготовление различного инструмента, а также стали специального назначения с особыми свойствами: нержавею­щие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, с особыми элект­рическими и магнитными свойствами и др..

Пепсахов A.M. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

3. СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

 

По показателям качества стали классифицируются на обыкно­венного качества, качественные, высококачественные и особо высо­кокачественные. Качество стали характеризуется совокупностью свойств, определяемых процессом производства, химическим соста­вом, содержанием газов и вредных примесей (серы и фосфора). В соответствии с ГОСТом стали обыкновенного качества должны со­держать не более 0,045% Р и 0,05% S, качественные — не более 0,035% Р и 0,04% S, высококачественные — не более 0,025% Р и 0,025% S и особо высококачественные — не более 0,025% Р и 0,015% S. Углероди­стые конструкционные стали могут быть только обыкновенного ка­чества и качественными.

Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от назначения и гарантируемых свойств делятся на три группы: А, Б и В. Стали группы А имеют гарантируемые механические свойства. Они используются в состоянии поставки без горячей обработки или сварки. Эти стали маркируются буквами Ст и цифрами, обозначаю­щими порядковый номер марки. Выпускается семь марок сталей группы А: Ст0, Ст1, Ст2,..., Ст6. Чем выше номер марки, тем боль­ше содержание углерода и, соответственно, выше прочность и ниже пластичность.

Стали группы Б имеют гарантируемый химический состав. Эти стали подвергаются горячей обработке. При этом их механические свойства не сохраняются, а химический состав важен для определе­ния режима обработки. Маркируются они так же, как стали группы А, но перед буквами Ст ставится буква Б. Чем выше номер марки, тем больше содержание в стали углерода, марганца и кремния.

Стали группы В имеют гарантируемые механические свойства и химический состав. Эти стали используются для сварки, так как для выбора режима сварки надо знать химический состав, а механичес­кие свойства частей изделий, не подвергшихся тепловому воздей­ствию, остаются без изменений. В марках сталей этой группы на первое место ставится буква В. При этом механические свойства соответствуют свойствам аналогичной марки из группы А, а хими­ческий состав — составу аналогичной марки из группы Б.

Качественные конструкционные углеродистые стали маркируют­ся цифрами 08, 10, 15, 20, 25,..., 85, которые обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Эти стали отличаются от сталей обыкновенного качества большей прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Если для сталей обыкновенного качества макси­мальная прочность составляет 700 МПа, то для качественной она дос-

тигает 1100 МПа. Более подробно они будут рассмотрены совместно с конструкционными легированными сталями (см. раздел 5.1.).

Чугуны

Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67% углерода. Но это теоретическое определение. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5-4,5%. В качестве примесей чугун содержит Si, Mn, S и Р.

Классификация чугунов. В зависимости от того, в какой форме содержится углерод в чугунах, различают следующие их виды. В бе­лом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде це­ментита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fe-Fe₃C. В сером чугуне большая часть углерода находится в виде графита, вклю­чения которого имеют пластинчатую форму. В высокопрочном чугуне графитные включения имеют шаровидную форму, а в ковком — хлопь­евидную. Содержание углерода в виде цементита в сером, высоко­прочном и ковком чугунах может составлять не более 0,8%.

Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не ис­пользуется и применяется как передельный чугун, т.е. идет на произ­водство стали. Для деталей с высокой износостойкостью использу­ется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого чугуна. Машиностроительными чугунами, идущими на изго­товление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугу­ны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включени­ям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостой­кость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения умень­шают прочность.

Таким образом, структура машиностроительных чугунов состо­ит из металлической основы и графитных включений. По металли­ческой основе они классифицируются на ферритный чугун (весь углерод содержится в виде графита), феррито-перлитный и перлит­ный (содержит 0,8% углерода в виде цементита). Характер ме­таллической основы влияет на механические свойства чугунов: проч­ность и твердость выше у перлитных, а пластичность — у ферритных.

Серый чугун имеет пластинчатые графитные включения. Струк­тура серого чугуна схематически изображена на рис. 14,а. Получают серый чугун путем первичной кристаллизации из жидкого сплава.

Пейсахов A.M. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

3. СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

 

На графитизацию (процесс выделения графита) влияют скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизации не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются, соответственно, пер­литный, феррито-перлитный и ферритный серые чугуны. Способ­ствуют графитизации углерод и кремний. Кремния содержится в чу­гуне от 0,5 до 5%. Иногда его вводят специально. Марганец и сера препятствуют графитизации. Кроме того, сера ухудшает механичес­кие и литейные свойства. Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства.

Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. По сравнению с металлической ос­новой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитные включе­ния можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими ме­таллическую основу. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наибо­лее низкие характеристики, как прочности, так и пластичности сре­ди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графит­ных включений улучшает механические свойства. Измельчению графитных включений способствует кремний.

Рис. 14. Схематическое изображение структур чугунов: а - серого, б - высокопрочного, в - ковкого.

Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Так, чугун СЧ 35 имеет =350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20,..., СЧ 45.

Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включе­ния. Структура высокопрочного чугуна изображена на рис. 14,6.

Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун неболь­шого количества щелочных или щелочноземельных металлов, кото­рые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется уве­личением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03-0,07%. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.

Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ос­лабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т.д.

Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Например, чугун ВЧ 60 имеет б_в= 600МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей — зубчатых колес, валов и др.

Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения (рис. 14,в). Его получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига, ко­торый заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при темпера­туре 950-970°С. Если после этого чугун охладить, то получается ков­кий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит из перлита и небольшого количества (до 20%) феррита. Такой чугун называют также светлосердечным. Если в области эвтектоидного пре­вращения (720-760°С) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получится ковкий ферритный чугун, металли­ческая основа которого состоит из феррита и очень небольшого ко­личества перлита (до 10%). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.

Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, пока­зывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля и от­носительное удлинение в %. Так, чугун КЧ 45-7 имеет б = 450 МПа и 8 = 7%. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 33-8, КЧ 37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей неболь­шого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Пейсахов A.M. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

4. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

 

4. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры. Различают следующие виды термической об­работки: отжиг, закалка и отпуск.

4.1. Отжиг

Отжигом стали называется вид термической обработки, заклю­чающийся в ее нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении. Цели отжига — сниже­ние твердости и улучшение обрабатываемости стали, изменение формы и величины зерна, выравнивание химического состава, сня­тие внутренних напряжений. Существуют различные виды отжига: пол­ный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, отжиг на зернистый перлит, нормализация. Температуры нагрева стали для ряда видов отжига связаны с положением линий диаграммы Fe-Fe₃C. Низкая скорость охлаждения обычно достигается при остывании стали вместе с печью.

Полный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей. Нагрев стали для полного отжига осуществляется на 30-50° выше линии GS диаграммы Fe-Fe_?C (рис. 15). При этом происходит полная пере­кристаллизация стали и уменьшение величины зерна. Исходная струк­тура из крупных зерен феррита и перлита при нагреве превращается в аустенитную, а затем при медленном охлаждении в структуру из мелких зерен феррита и перлита. Повышение температуры нагрева привело бы к росту зерна. При полном отжиге снижается твердость и прочность стали, а пластичность повышается.

При неполном отжиге нагрев производится на ЗО-5О°С выше линии PSK диаграммы Fe-Fe3C (рис. 15). Он производится, если ис­ходная структура не очень крупнозерниста или не надо изменить расположение ферритной (в доэвтектоидных сталях) или цементит-ной (в заэвтектоидных сталях) составляющей. При этом происходит

лишь частичная перекристаллизация — только перлитной составля­ющей стали.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключается в нагреве ста­ли до 1000-1100°С, длительной выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате диффузионного отжига происходит выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Благодаря высокой температуре на­грева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая струк­тура, которая может быть устранена последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный отжиг предназначен для снятия наклепа и внутренних напряжений после холодной деформации и подготов­ки структуры к дальнейшему деформированию. Нагрев необходимо осуществлять выше температуры рекристаллизации, которая для железа составляет 450°С (см. раздел 2.1.). Обычно для повышения скорости рекристаллизационных процессов применяют значительно более высокие температуры, которые, однако, должны быть ниже линии PSK диаграммы Fe-Fe₃C. Поэтому температура нагрева для

0,8 2,14

Содержание углерода, %

Рис.15. Области температур нагрева для различных видов отжита:

1 - полный отжиг; 2 - неполный отжиг; 3 -диффузионный отжиг;

4 - рекристаллизационный отжиг; 5 - нормализация.

Пейсахов A.M. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

4. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

 

рекристаллизационного отжига составляет 650-700°С. В результате рекристаллизационного отжига образуется однородная мелкозерни­стая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Низкий отжиг применяется в тех случаях, когда структура стали удовлетворительна и необходимо только снять внутренние напряже­ния, возникающие при кристаллизации или после механической обработки. В этом случае сталь нагревают значительно ниже линии PSK диаграммы Fe-Fe₃C (200-600°C).

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизацию) применяют для сталей близких к эвтектоидному составу или для заэвтектоидных. Такой отжиг осуществляют маятниковым способом (температуру несколько раз изменяют вблизи линии PSK, то перегревая выше нее на 30-50°С, то охлаждая ниже на 30-50°С) или путем длительной выдержки (5-6 часов) при температуре несколько выше линии PSK и последующего медленного охлаждения. После такого отжига це­ментит, обычно присутствующий в структуре в виде пластин, приоб­ретает зернистую форму. Сталь со структурой зернистого перлита обладает большей пластичностью, меньшей твердостью и прочнос­тью по сравнению с пластинчатым перлитом. Отжиг на зернистый перлит применяется для подготовки сталей к закалке или для улуч­шения их обрабатываемости резанием.

Нормализация состоит из нагрева стали на 30-50°С выше линии GSE диаграммы Fe-Fe₃C (рис. 15), выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Более быстрое охлаждение по сравнению с обычным отжигом приводит к более мелкозернис­той структуре. Нормализация — более дешевая термическая опера­ция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и вы­держки. Для низкоуглеродистых сталей (до 0,3% С) разница в свойствах между нормализованным и отожженным состоянием прак­тически отсутствует и эти стали лучше подвергать нормализации. При большем содержании углерода нормализованная сталь обладает большей твердостью и меньшей вязкостью, чем отожженная. Иногда нормализацию считают самостоятельной разновидностью термичес­кой обработки, а не видом отжига.

4.2. Закалка и отпуск стали

Превращения в стали при охлаждении. При медленном охлаж­дении стали образуются структуры, соответствующие диаграмме Fe-Fe₃C. Вначале происходит выделение феррита (в доэвтектоидных сталях) или вторичного цементита (в заэвтектоидных сталях), а

затем происходит превращение аустенита в перлит. Это превращение заключается в распаде аустенита на феррит, почти не содержащий углерода и цементит, содержащий 6,67% С. Поэтому превращение сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Диффузи­онные процессы происходят в течение некоторого времени, причем скорость диффузии резко падает с понижением температуры.

Рис 16. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (схема).

Обычно изучают изотермическое превращение аустенита (проис­ходящее при выдержке при постоянной температуре) для эвтектоидной стали. Влияние температуры на скорость и характер превращения пред­ставляют в виде диаграммы изотермического превращения аустенита (рис. 16). Диаграмма строится в координатах температура — логарифм времени. Выше температуры 727°С на диаграмме находится область устойчивого аустенита. Ниже этой температуры аустенит является неустойчивым и превращается в другие структуры. Первая С- образ­ная кривая на диаграмме соответствует началу превращения аустени­та, а вторая — его завершению. При небольшом переохлаждении— приблизительно до 550°С происходит упомянутое выше диффузион­ное перлитное превращение. В зависимости от степени переохлаж­дения образуются структуры, называемые перлит, сорбит и трос­тит. Это структуры одного типа — механические смеси феррита и цементита, имеющие пластинчатое строение. Отличаются они лишь степенью дисперсности, т.е. толщиной пластинок феррита и цемен­тита. Наиболее крупнодисперсная структура — перлит, наиболее

Пейсахов A.M. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

мелкодисперсная — тростит. При переохлаждении аустенита при­близительно ниже 240°С скорость диффузии падает почти до нуля и происходит бездиффузионное мартенситное превращение. Образу­ется мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в аа-железе. Мартенсит имеет ту же концентрацию углерода, что и ис­ходный аустенит. Из-за высокой пересыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажается, благодаря чему мартенсит имеет высокую твердость (до HRC 65). Горизонтальная линия М_п диаграм­мы соответствует началу превращения аустенита в мартенсит, а ли­ния М_к — завершению этого процесса.

В диапазоне температур от мартенситного до перлитного пре­вращения происходит промежуточное превращение и образуется структура, называемая бейнит.

Закалка — это вид термической обработки, состоящий в нагре­ве стали до определенной температуры, выдержке и последующем быстром охлаждении. В результате закалки повышается твердость и прочность, но снижается вязкость и пластичность. Нагрев стали про­изводится на 30-50°С выше линии GSK диаграммы Fe-Fe_?C. В доэв-тектоидных сталях нагрев выше линии GS необходим для того, чтобы после закалки в структуре не было мягких ферритных включений. Для заэвтектоидных сталей применяется нагрев выше линии SK, так как присутствие цементита не снижает твердость стали.

Обычно в результате закалки образуется мартенситная структура. Поэтому охлаждать сталь следует с такой скоростью, чтобы кривая охлаждения не пересекала С- образные кривые диаграммы изотер­мического превращения аустенита (рис. 16). Для достижения высо­кой скорости охлаждения закаливаемые детали погружают в воду (для углеродистых сталей) или минеральные масла (для легирован­ных сталей).

Способность стали закаливаться на мартенсит называется зака­ливаемостью. Она характеризуется значением твердости, приобре­таемой сталью после закалки и зависит от содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3%) практически не закаливаются и закалка для них не применяется.

Прокаливаемостью называется глубина проникновения закален­ной зоны. Отсутствие сквозной прокаливаемости объясняется тем, что при охлаждении сердцевина остывает медленнее, чем поверх­ность. Прокаливаемость характеризует критический диаметр D,, т.е. максимальный диаметр детали цилиндрического сечения, кото­рая прокаливается насквозь в данном охладителе.

4. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ 37

Отпуск стали — это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определенной темпера­туры (ниже линии PSK), выдержке и охлаждении. Цель отпуска — получение более равновесной по сравнению с мартенситом структу­ры, снятие внутренних напряжений, повышен