ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ ТА ЗМІСТ ЗВІТУ

4.1. Описати особливості процесів при пластичній деформації і нагріванні металів.

4.2. Визначити твердість зразків, взятих для дослідження. Результати записати в таблицю 1.

4.3. Реалізувати процеси повернення і рекристалізації деформованих зразків: нагріти до температури 200°С, 400°С, 750°С.

4.4. Визначити твердість зразків після повернення і рекристалізації. Результати записати в таблицю 1.

4.5. За допомогою мікроскопа дослідити структуру сталі 20 у вихідному стані, після пластичної деформації і рекристалізації. Накреслити схеми даних структур.

4.6. Привести результати вимірювань у вигляді графіків HRB = f (ε), HRB = f (Т).

2. Що таке гаряча і холодна пластична деформація?

3. Назвіть температуру повернення та рекристалізації для заліза.

6. Як змінюється НВ при пластичній деформації, відновленні та рекристалізації?

7. Назвіть ступінь критичної деформації. Як його уникнути?

8. Назвіть етапи процесу рекристалізації і поясніть зміни в будові структури.

9. Чим можна пояснити незначну зміну механічних властивостей при поверненні.

10. Що таке температурний поріг рекристалізації?

11. Як змінюється структура при холодній та гарячій пластичних деформаціях?

«ВИВЧЕННЯ БУДОВИ ПОДВІЙНИХ ДІАГРАМ НА ПРИКЛАДІ СПЛАВУ «СВИНЕЦЬ-СУРМА».

На конкретному прикладі засвоїти принцип побудови діаграм стану подвійних систем. Надбати навичок у вивченні сплавів методами термічного і металографічного досліджень. Побудувати криві охолодження і діаграму стану «свинець – сурма». Вивчити мікроструктури компонентів і подвійних сплавів даної системи.

Сплав – речовина, отримана в результаті взаємодії двох або більше компонентів.

Компонентами називаються чисті елементи (метали та неметали), а також стійкі хімічні сполуки, що утворюють сплав. При формуванні сплаву атоми компонентів, що його утворюють, намагаються розташуватися в кристалічній ґратці таким чином, щоб вільна енергія досягла свого найменшого значення.

Фазою називається однорідна за хімічним складом і кристалічною будовою частина системи, відокремлена від інших частин поверхнею розділу, при переході через яку стрибкоподібно змінюються хімічний склад, агрегатний стан або кристалічна структура речовини. Фазами можуть бути чисті метали і неметали, можливі їх алотропічні модифікації, хімічні сполуки, рідкі та тверді розчини.

Системою називається сукупність фаз, що знаходяться в рівновазі при певних зовнішніх умовах. Дана залежність виражається правилом Гіббса (правилом фаз):

К - кількість компонентів, що утворюють систему;

n - число зовнішніх факторів (температура і тиск).

Число ступенів вільності - це кількість незалежних факторів (температура, тиск, концентрація), зміна яких не приводить до зміни стану рівноваги системи, тобто до зміни числа фаз, що знаходяться в рівновазі. Враховуючи, що всі перетворення в металах і сплавах відбуваються практично при сталому тиску, для металевих систем змінним зовнішнім фактором буде тільки температура, тобто n = 1;

У металевих сплавах (системах) зовнішніми чинниками, що впливають на стан системи, є температура і тиск. Внутрішнім змінним фактором є концентрація.

При утворенні сплаву атоми компонентів вступають у певні взаємодії один з одним. У рідкому стані більшість металевих сплавів являють собою однорідні рідини, тобто рідкі розчини. У твердому стані можуть утворюватися тверді розчини, хімічні сполуки та механічні суміші.

Твердими розчинами називаються сплави, що складаються з однієї фази, змінного складу. При утворенні твердого розчину кристалічна ґратка одного з компонентів (розчинника) зберігається, і тільки змінюється період кристалічної ґратки. Отже, кристалічна ґратка твердих розчинів складається з атомів двох або більше компонентів. Структура твердого розчину, видима під мікроскопом, складається, як і у чистих металів, з однорідних зерен (рис. 1). Тверді розчини прийнято позначати А(В), де А - розчинник; В - розчинений компонент або α, β, γ, δ залежно від температур утворення.

Рисунок 1 – Схеми розташування атомів у твердих розчинах:

а - метал-розчинник (А); б - твердий розчин заміщення А (В)

Залежно від характеру розподілу атомів розчиненого компонента в кристалічній ґратці розчинника розрізняють такі три типи твердих розчинів: тверді розчини заміщення, тверді розчини проникнення, тверді розчини віднімання.

Кристалічна ґратка хімічної сполуки відрізняється від кристалічних ґраток компонентів, що її утворюють. У кристалічній ґратці хімічної сполуки атоми компонентів, як правило, займають певні місця. Створення нового типу кристалічної ґратки є основною ознакою, що відрізняє хімічну сполуку від твердого розчину. Хімічні сполуки можна описати хімічною формулою. Кристалізація (плавлення) хімічної сполуки відбувається не в інтервалі температур, що характерно для твердих розчинів, а при певному конкретному значенні, що характерно для хімічних елементів.

Механічні суміші можуть складатися з чистих компонентів, твердих розчинів, хімічних сполук і т. д. При утворенні механічної суміші кристалічні ґратки складових не змінюються. Кристаліти механічної суміші зв'язуються між собою тільки спільними межами. Розрізняють просту, евтектичну і евтектоїдну механічні суміші.

Проста механічна суміш утворюється при будь-якому відсотковому співвідношенні компонентів. Проста меха-нічна суміш у металевих сплавах зустрічається рідко, прикладом її можуть бути сплави заліза зі свинцем, міді зі свинцем та інші.

Евтектична механічна суміш має строго певний хімічний склад, утворюється при певній сталій температурі з рідкого розчину певного хімічного складу.

Евтектоїдна механічна суміш також має строго певний хімічний склад, утворюється при певній сталій температурі, але тільки при розпаді твердого розчину певного хімічного складу.

Усі процеси, що відбуваються в сплавах залежно від температури і концентрації, знаходять відображення в діаграмі стану. Діаграма стану – це графічне зображення рівноважного стану сплавів залежно від температури і концентрації (починаючи з температур плавлення). Діаграма стану сплавів дозволяє простежити за процесами, що відбуваються в даному сплаві при нагріванні та охолодженні; визначити сплави, які мають чудові ливарні властивості, а також сплави, що змінюють фізико-механічні властивості шляхом термічної обробки або обробки тиском; правильно встановити режими термічної, хіміко-термічної обробки та обробки тиском; знаючи, яку структуру будуть мати сплави в рівноважному стані (повільно охолоджені), за мікроструктурою (у деяких випадках) розрахувати хімічний склад сплаву; правильно вибрати склад сплаву, який характеризується необхідними властивостями, і т.д.

Тип діаграм стану залежить від характеру взаємодії компонентів, що складають дану систему, тобто від того, яку будову в твердому стані мають компоненти один з одним. Компоненти, що вивчаються в даній лабораторній роботі, сплаву свинець - сурма повністю розчинні один в одному в рідкому стані. Вони практично нерозчинні у твердому стані (при кімнатній температурі розчинність компонентів один в одному майже дорівнює нулю). Даний тип діаграми стану характеризується тим, що компоненти при кристалізації не утворюють хімічних сполук, а утворюють евтектичну (механічну) суміш.

Нагріваючи чистий метал - свинець або сурму до розплавлення, помітимо, що рівномірний підйом температури призупиниться саме тоді, коли метал почне плавитися, і внаслідок поглинання прихованої теплоти плавлення температура деякий час залишиться сталою, незважаючи на надходження тепла ззовні. Тільки після того, як весь метал розплавиться, підйом температури вже рідкого металу знову стане помітний при тривалому наджодженні тепла ззовні. Таке ж явище, але в зворотному порядку, буде спостерігатися при зворотному процесі охолодження рідкого (розплавленого) металу: температура буде рівномірно знижуватися до початку затвердіння (кристалізації), де вона призупиниться внаслідок виділення теплоти затвердіння, і тільки після повного затвердіння стане помітне подальше зниження температури вже у твердому металі. Якщо записувати ці зміни температури металу в часі, ми отримаємо криві охолодження (або нагрівання), на яких будуть видні ці затримки в ході зміни температури металу. Вигляд цих кривих для чистого металу наведений на рисунку 2.

Горизонтальні ділянки на кривих свідчать про затримку в охолодженні (нагріванні) і відповідають температурам, при яких відбувається кристалізація (плавлення) металу. Це і буде критична точка, що відповідає перетворенню рідкої фази в тверду і навпаки, і цю критичну точку, яка свідчить про зміну фаз у чистих компонентах, ми позначимо перш за все на діаграмі стану, яку будуємо.

Рисунок 2 - Приклад кривих нагрівання та охолодження

Побудова діаграм стану складається з кількох етапів. Для цього візьмемо осі координат (рис. 3) і по абсцис відкладемо всі концентрації сплавів (за сурмою) у деякому масштабі. У цьому масштабі повинні поміщатися всі сплави від 100% Рb (чистий свинець) до 100% Sb (чиста сурма).

По осі ординат будемо відкладати в масштабі температуру. Визначивши за кривими охолодження критичні точки - температури затвердіння чистих Рb і Sb, відкладаємо ці температури на ординаті, що відповідають концентрації 0% і 100% Sb. Це будуть перші основні точки нашої діаграми (для Рb - точка А - 327 °С; для Sb - точка В - 630 °С).

Звичайно, при побудові діаграм визначають критичні точки при охолодженні, оскільки охолодження здебільшого відбувається рівномірніше, ніж нагрівання, і зупинки на кривих виходять більш зрозуміло і правильно. Теоретично не повинно бути різниці в критичних точках при нагріванні та охолодженні, оскільки справжня критична точка відповідає оберненому перетворенню і повинна бути одна. Однак практично ми не маємо повної оберненості, і точки при охолодженні завжди виходять трохи нижче точок при нагріванні. Це явище відоме під назвою "теплового гістерезису".

Істотна відмінність кривих охолодження сплавів від кривих охолодження чистих металів полягає в тому, що в сплавах при кристалізації помітні по дві критичні точки, тоді як у чистих металах вона одна. Визначивши температуру цих точок, відзначаємо їх на діаграмі.

Припустимо, що для таких сплавів, ці точки становлять (рис 4,а и б):

Щоб нанести ці точки на діаграму, потрібно відкласти визначені температури в масштабі на ординатах, що відповідають відповідним складам (концентрації) прийнятих сплавів (рис. 3).

Рисунок 4 – Приклад кривих охолодження для сплаву свинець-сурма при різній концентрації елементів: а- 5 % Sb; б- 10 % Sb

Тоді ми отримаємо ряд точок а і а¹, b і b¹, с і с¹, d і d¹, f і f¹, які є початковими точками А і В. Якщо ми всі їх з'єднаємо кривими, припускаючи, що проміжні сплави з іншими концентраціями дають аналогічні криві охолодження і проміжні критичні точки, отримаємо діаграму стану.

Лінія ліквідус (лінія АЕД, рис. 3) - геометричне місце точок (температур) початку процесу кристалізації сплавів. Вище лінії ліквідус сплави знаходяться в рідкому стані, що являє собою однорідний рідкий розчин або рідку фазу. Ліня солідус (лінія ВЕС, рис. 3) - геометричне місце точок (температур) кінця процесу кристалізації сплавів. Нижче лінії солідус сплави перебувають у твердому стані. Лінія AЕ відповідає початку виділення з рідини при охолодженні кристалів Pb, лінія ЕD - кристалів Sb. У точці Е і на лінії ВЕС з рідини концентрації Е одночасно виділяються кристали Рb і Sb. Точка Е називається точкою евтектики, лінія ВЕС - лінією евтектики або евтектичною лінією. Нижче евтектичної лінії знаходяться дві фази - кристали Рb і Sb. Лівіше евтектичної точки Е з рідини виділяються спочатку кристали Рb, а потім евтектика, правіше - кристали Sb, а потім евтектика.

У будь-якому сплаві системи свинець - сурма при кімнатній температурі в структурі спостерігаються дві тверді фази: кристали сурми і кристали свинцю. За складом сплави розділяються на доевтектичні, евтектичних і заев-тектичні (рис. 5).

Рисунок 5 – Криві охолодження сплавів: а – доевтектичного; б - евтектичного, в – заевтектичного

Сплав, що містить 13% Sb і 87% Рb, - евтектичний,
являє собою дрібнодисперсну суміш двох фаз - свинцю і сурми. Структура доевтектичних сплавів, тобто сплавів, що містять менше 13% Sb, складається з евтектики і надлишкових кристалів свинцю темного кольору (рис. 6,б). Структура заевтектичних сплавів, тобто сплавів, які містять 13% Sb, складається з евтектики і надлишкових яскраво-білих кристалів сурми правильної форми (рис. 6,в). Чим далі знаходиться сплав від евтектичного складу, тим менше в ньому евтектики і більше надлишкових кристалів сурми або свинцю. За мікроструктурою можна приблизно визначити склад сплаву. Для цього під мікроскопом визначають площину кожної структурної складової, тим самим визначаючи її об'ємний вміст.

Рисунок 6 – Структура сплавів свинець-сурма: а - чистий свинець; б - доевтектичний сплав (5% Sb); в - евтектичний сплав (13% Sb); г - заевтектичний сплав (30% Sb); д - чиста сурма

Ваговий (масовий) вміст свинцю і сурми
- для доевтектичних сплавів:

Щільність евтектики, що складається з двох фаз, визначають зі співвідношення:

Для побудови діаграми стану сплавів використовують простий і досить надійний метод термічного аналізу, за допомогою якого визначають критичні точки - температури початку та кінця кристалізації. Внаслідок виділення або поглинання тепла в процесі фазових перетворень при нагріванні (або охолодженні) на відповідних кривих нагрівання (або охолодження) спостерігаються перегини або горизонтальні ділянки (рис. 3 - 5).

При перетвореннях у твердому стані тепловий ефект буває менш значним, ніж зміна таких властивостей, як об’єм, електропровідність, твердість, магнітні властивості та ін. Тому при визначенні критичних точок у твердому стані користуються відповідними методами дослідження цих властивостей. Визначення температур кристалізації (затвердіння) металів і сплавів, як правило, проводять за допомогою термоелектричного пірометра, що складається з термопари і високочутливого гальванометра (рис. 7).

Рисунок 7 - Схема пристрою для визначення критичних точок металів і сплавів термічним методом: 1 - тигель; 2 - гарячий спай; 3 - піч; 4 - кришка; 5 - термопара; 6 - захисний фарфоровий кожух; 7 - холодний спай; 8 - мідний дріт; 9 - гальванометр

Результати вимірювань оформляються графічно у вигляді кривих охолодження в координатах температура - час або термоелектрорушійна сила - час. В останньому випадку температура визначається тільки для критичних точок (точок перегину або зупинок) за градуйованими кривими. За отриманими критичними точками будують діаграму стану в координатах концентрація - температура.

Кожній бригаді студентів видаються мікрошліфи чистих металів свинцю і сурми і їхніх сплавів доевтектичного, евтектичного і заевтектичного складів. Дослідження структур необхідно провести в такому порядку:

- вивчити мікроструктуру шліфів під мікроскопом при збільшенні х200;

- описати мікроструктури з наведенням їх хімічного і фазового складу. За мікроструктурою розрахувати хімічний склад.

Мета роботи. Схема установки для дослідження металів і сплавів термічним методом. Опис діаграми сплавів свинець - сурма з характерними для них кривими охолодження з аналізом за правилом фаз, методики розрахунку хімічного складу сплаву за мікроструктурою і сутності методу термічного аналізу (виконується в порядку підготовки до лабораторної роботи). Крива охолодження і побудована діаграма стану сплавів свинець - сурма. Рисунки мікроструктур чистих сурми і свинцю, доевтектичного, евтектичного і заевтектичного сплавів з аналізом хімічного і фазового складу. Висновки (зазначити, в чому полягає відмінність і подібність структури чистих металів і сплавів, який зв'язок між структурою і складом сплаву).

Кожен студент при роботі з електрообладнанням і хімічними реактивами зобов'язаний виконувати правила техніки безпеки, встановлені інструкціями кафедри.

Про проходження інструктажу з техніки безпеки слід розписатися у лабораторному журналі.

1. Які види взаємодії компонентів при утворенні сплавів?

2. Як змінюються властивості сплавів залежно від діаграми стану?

3. Дати визначення понять «компонент», «фаза», «система», «структура», «діаграма стану».

4. Як визначити склад та кількісне співвідношення фаз у будь-якій точці двофазної області за правилом відрізків?

5. Як проводиться аналіз діаграми стану за правилом фаз?

6. У чому сутність термічного аналізу металів і сплавів?

8. Що таке евтектика, її характерні особливості?

9. Які можуть бути види діаграми стану подвійних сплавів?

11. Що таке хімічна сполука, її відмінність від твердого розчину і механічної суміші?

1. Вивчити діаграму стану системи «залізо - вуглець» Fe-C.

2. Вивчити структуру, властивості і застосування вуглецевих сталей і білих чавунів за метастабільною діаграмою «залізо - цементит» Fe-Fe₃C та вплив вмісту вуглецю на структуру відпалених сталей і білих чавунів.

3. Вивчити фазові перетворення в графітних чавунах за стабільною діаграмою Fe-C.

Відповідно до діаграми стану Fe-C в даних залізовуглецевих сплавах можливе отримання структур залізоце-ментиту (метастабільна діаграма Fe-Fe₃C) (рис. 1) чи залізографіту (стабільна діаграма Fe-C).

Діаграма стану «залізо - вуглець» (рис. 1) охоплює сплави, що містять вуглець від 0 до 100%. При вмісті вуглецю 6,67% утворюється хімічна сполука заліза з вуглецем - карбід заліза, що називається цементит (Ц) і позначається Fe₃C. Кожну стійку хімічну сполуку можна розглядати як компонент, а діаграму – по частинах. Оскільки на практиці застосовуються металеві сплави з вмістом вуглецю до 6,67%, то розглядається лише частина діаграми стану - від заліза до цементиту. Частину діаграми стану до 6,67% С називають діаграмою стану «залізо - цементит».

Рисунок 1 – Діаграма стану системи «залізо-вуглець»

Усі сплави системи «залізо-вуглець» утворені двома компонентами: залізом і вуглецем.

1. Залізо - метал перехідної групи сріблясто-сірого кольору, дуже пластичний, з питомою вагою 7,8 г/см³, з атомним радіусом 1,27 Å і температурою плавлення 1539°С. На практиці застосовується технічне залізо, що містить 0,1% таких домішок, як С, Мn, Si, S, Р, O₂, Н₂, N₂ та ін. Залізо має кілька алотропічних модифікацій (рис. 2). Алотропією, або поліморфізмом, називається здатність деяких речовин при одному й тому самому хімічному складі змінювати тип кристалічної ґратки, а, отже, мати різні властивості.

При кімнатній температурі залізо має об'ємноцентровану (ОЦК) кубічну кристалічну ґратку К8 з періодом
а = 2,86 Å і позначається α -Fe (НВ = 80 кгс/мм²). Таке залізо має сильно виражені магнітні властивостями.

При температурі 768°С залізо втрачає магнітні властивості (точка Кюрі). Кристалічна ґратка при цьому не змінюється - алотропічного перетворення немає. Часто це немагнітне залізо позначають β -Fe. При температурі 911°С відбувається алотропічне перетворення заліза: кубічна об’ємноцентрована ґратка К8 переходить при цій температурі в кубічну гранецентровану гратку К12 з періодом а 3,63 Å (при 1100°С). Таке залізо позначають γ -Fe
(НВ = 200-220 кгс/мм²). Властивості заліза змінюються: воно набуває особливої пластичності, високої в'язкості, збільшується здатність розчиняти вуглець, але залишається немагнітним. При температурі 1392°С відбувається друге алотропічне перетворення заліза. Гранецентрована кубічна (ГЦК) гратка γ - заліза знову переходить в ОЦК α -заліза з періодом а = 2,93 Å (при 1392°С). Цю модифікацію заліза іноді називають δ -залізом і позначають δ -Fe (воно немагнітне). При температурі 1539^оС залізо плавиться.

Температуру алотропічного (поліморфного) і магнітного перетворення заліза прийнято називати критичними точками і позначати їх літерою А з відповідними індексами 1, 2, 3, 4, що свідчать про характер перетворення. Щоб відрізнити перетворення, які відбуваються в сплавах при нагріванні, від перетворень при охолодженні, прийнято до позначення критичних точок додавати: при нагріванні індекс с (А_с), при охолодженні індекс r (А_r).

Позначення критичних точок заліза наведено на рисунку 2.Точка А₂ (768^оС) показує температуру магнітного перетворення заліза; точка А₃ позначає температуру низькотемпературного алотропічного перетворення:

2. Вуглець - неметалевий елемент з питомою вагою 2,5 г/см³, атомним радіусом 0,77 Å, температурою плавлення 3500°С. Вуглець має три алотропічні модифікації: алмаз, графіт і вугілля. У формі алмаза і вугілля в металевих сплавах вуглець не наявний. У формі графіту в промислових сплавах вуглець зустрічається тільки в сірих чавунах. Кристалічна ґратка графіту - гексагональна, не щільноупакована з координаційним числом 6 - гратка Г6. Графіт не міцний, не пластичний. Найчастіше у залізовуглецевих сплавах вуглець зустрічається у вигляді твердих розчинів проникнення в залізі (α -Fe і γ -Fe), а також у вигляді хімічної сполуки Fе₃С - цементиту.

У системі залізо-вуглець існують чотири фази: рідина, ферит, аустеніт і цементит.

1. Рідина. В рідкому стані залізо добре розчиняє вуглець у будь-яких пропорціях з формуванням однорідної рідкої фази.

2. Ферит (Ф) - твердий розчин проникнення вуглецю в α -залізо. Ферит має ОЦК- ґратку (К8). Структура фериту складається з однієї фази змінного складу, тобто твердого розчину. Максимальна розчинність вуглецю в α - залізі дорівнює 0,025% при температурі 727°С; мінімальна розчинність (при кімнатній температурі) дорівнює 0,006%.

3. Аустеніт (А) - твердий розчин проникнення вуглецю в γ -залізо. Аустеніт має ГЦК-ґратку (К12). Структура аустеніту - твердий розчин змінного складу. Максимальна розчинність вуглецю в γ-залізі дорівнює 2,14% при температурі 1147°С; мінімальна розчинність дорівнює 0,8% при температурі 727°С.

З наведених даних випливає, що розчинність вуглецю в γ -залізі значно більша, ніж в α -залізі (при температурі 727°С ≈ 32 рази). Це пояснюється тим, що в центрі елементарної комірки К12 є «дірка» (порожнеча) великих розмірів, в яку вільно може проникнути атом вуглецю. У еле-ментарній комірці К8 є дірки всередині кожного ребра куба, їх багато, тому щільність цієї ґратки менша, ніж ґратки К12, проте розмір дірок значно менший за розмір атомів вуглецю.

4. Цементит (Ц) - карбід заліза, хімічна сполука заліза з вуглецем, що містить 6,67% вуглецю. Він має складну кристалічну ґратку, високу твердість (НВ = 800 кгс/мм²) і крихкість, що говорить про високу температуру плавлення (~ 1600^оС). Відрізняється від заліза і графіту металевим блиском, тепло- та електропровідністю, слабкими магнітними властивостями.

а) первинний цементит Ц_І. Він виділяється при кристалізації з рідкої фази в усіх залізовуглецевих сплавах, що містять вуглецю більше 4,3 % (нижче лінії DС, рис. 1);

б) вторинний цементит Ц_II виділяється при вторинній кристалізації з аустеніту по лінії ES, у всіх залізовуглецевих сплавів, що містять вуглецю більше 0,8% в інтервалі температур від 1147 до 727°С;

в) третинний цементит Ц_III виділяється при третинній кристалізації з фериту в усіх залізовуглецевих сплавів, що містять вуглецю більше 0,006% в інтервалі температур від 727 до 0°С.

Якщо у залізовуглецевих сплавах знаходяться одночасно кілька різновидів цементиту (наприклад, у сплавах, що містять вуглецю більше 4,3%, при нормальній температурі наявні Ц_I, Ц_II, Ц_III, а також цементиту, що входить до складу ледебуриту і перліту) - всі вони є однією фазою, тобто хімічною сполукою, оскільки мають один і той самий хімічний склад, будову та властивості.

В системі залізо-вуглець формуються наступні структурні складові.

Ледебурит (Л)- евтектична механічна суміш, утворюється з рідкої фази певного постійного складу 4,3% С при температурі 1147°С. При температурі 1147 і до 727°С ледебурит складається з двох фаз - аустеніту і цементиту.

Перліт (П) - евтектоїдна механічна суміш, утворюється при розпаді аустеніту певного постійного складу 0,8% С при температурі 727°С. Евтектоїд цей названий перлітом, тому що після травлення сталі, що містить 0,8% С, її по-верхня має своєрідний блиск. Перліт складається з двох фаз: фериту і цементиту.

Діаграма стану системи «залізо - цементит» - основа для вивчення вуглецевих сталей і білих чавунів, поділом яких є точка Е на діаграмі (2,14% С). Залізовуглецеві сплави, що містять до 2,14 % вуглецю, називаються сталями, а більше 2,14 % - чавунами. Дана діаграма дозволяє оцінити, в якому стані знаходиться кожен із сплавів системи «залізо - цементит» у широкому інтервалі температур від 20 до 1600°С, а також розглянути процеси плавлення та кристалізації. У результаті можна ознайомитися зі структурою сплавів після кристалізації в рівноважному стані.

Вуглецеві сплави – це сплави заліза з вуглецем, вміст С в них від 0,02 до 2,14%, а також міститься деяка кількість домішок марганцю, кремнію, сірки та фосфору. Сплави, що містять вуглецю менше 0,025%, - однофазні і мають структуру фериту з невеликою кількістю цементиту, розташованого по межах зерен фериту (рис. 3,а). Такий сплав називають технічним залізом.

Відповідно до діаграми стану залізо - цементит вуглецеві сталі поділяють на доевтектоїдні (вміст вуглецю від 0,025 до 0,8%); евтектоїдні (вміст вуглецю 0,8%) і заевтектоїдні (вміст вуглецю від 0,8 до 2,14%). Мікроструктура доевтектоїдної сталі складається з фериту і перліту, співвідношення між ними визначається вмістом вуглецю: при його збільшенні кількість перліту збільшується, а кількість фериту зменшується (рис. 3,б).

Структура евтектоїдної сталі - перліт - механічна суміш фериту і цементиту. Перліт утворюється по лінії PSK (727°С) з аустеніту і містить 0,8%С. Будова перліту в більшості випадків пластинчаста, причому пластини темні, видимі в перліті - тіні виходять від виступаючих після травлення ділянок (пластинок) цементиту (рис. 3,в). Але шляхом спеціального відпалу можна отримати і перліт зернистий.

Мікроструктура заевтектоїдної сталі - перліт і вторинний цементит, який виділяється з аустеніту внаслідок зменшення (зі зниженням температури нижче лінії SЕ) розчинності вуглецю в γ -Fe, утворюючи переважно по межах зерен перліту так звану цементитну сітку (рис. 3,г).

Вторинний цементит може виділятися у вигляді зерен після відповідної термічної обробки, так званий зернистий цементит.

Рисунок 3 – Схеми мікроструктур вуглецевих сталей: а – тех-нічно чисте залізо; б – доевтектоїдна сталь; в – евтектоїдна сталь; г – заевтектоїдна сталь

З підвищенням вмісту вуглецю підвищуються міцність і твердість, а пластичність знижується. Таким чином, ос-новним визначальним чинником структури і властивостей вуглецевих сталей є вміст вуглецю.

Чавуни - складні сплави на основі заліза, головна домішка в яких вуглець у кількості більше 2,14%. У промислових чавунах, крім заліза і вуглецю, є домішки кремнію, сірки, фосфору та інших елементів, які впливають на їх структуру і властивості. Головною перевагою чавунів порівняно зі сталлю є хороші ливарні властивості. Чавуни, в яких весь вуглець знаходиться у зв'язаному стані у вигляді цементиту, називаються білими чавунами. Структура білих чавунів описується діаграмою стану залізо - цементит при вмісті вуглецю більше 2,4%. Чавуни, в яких весь або частина вуглецю знаходиться у вигляді графіту називаються графітними, їх структура не зв'язується з діаграмою залізо-цементит.

Характерною особливістю структури білих чавунів є наявність ледебуриту - евтектичної суміші, що складається з аустеніту і цементиту в інтервалі між лініями ЕСF (1147°С) і РSК (727°С) і з перліту і цементиту нижче лінії РSК. Ледебурит утворюється з рідини при температурі 1147°С по лінії ЕСF і містить 4,3% С. При температурі 727°С по лінії РSК аустеніт ледебуриту перетворюється на перліт. На рис. 4,а наведена схема мікроструктури ледебуриту. На світлій основі цементиту розташовуються темні включення перліту. Ледебурит характеризується високою твердістю (НВ ≈ 700 кгс/мм²) і значною крихкістю. По відношенню до евтектичної точки С на діаграмі білі чавуни поділяють на доевтектичні – з вмістом вуглецю від 2,14 до 4,3%, евтектичні – з 4,3% С і заевтектичні - від 4,3 до
6,67 % С.

Структура доевтектичних чавунів складається з перліту і ледебуриту. Структура евтектичного білого чавуну - ледебурит. Структура заевтектичного білого чавуну - ледебурит і цементит первинний у вигляді великих пластин, що утворилися при кристалізації з рідини (рис. 4,д, є). Білий чавун характеризується високою твердістю та крихкістю, як конструкційний матеріал у промисловості не застосовується.

Вирішальний вплив на форму вуглецю надає швидкість охолодження при кристалізації та хімічний склад. Охолодження з малою швидкістю (до 10 град/хв) забезпечує виділення вуглецю у вигляді графіту, а з великою швидкістю - у вигляді цементиту. Однак отримання залізографітної структури в об’ємі реальної виливки важке, оскільки не завжди вдається охолодити різні перерізи виливки з однаковими або близькими швидкостями. Тому на практиці ступінь графітизації чавуну значною мірою регулюється шляхом зміни його хімічного складу. Так, додавання кремнію стимулює графітизацію, а додавання марганцю, навпаки, ускладнює її.

Рисунок 4 – Мікроструктура білих чавунів: а, б - доевтектичний; в, г - евтектичний; д, є – заевтектичний (а, в, д- схема, б, г, є -фото)

Як зазначалося раніше, регулюючи кількісне співвідношення вуглецю, кремнію і марганцю, при кристалізації можна отримати залізографітні структури, в яких вуглець перебуває у вільному стані у вигляді графіту - графітні чавуни. За формою графітних включень чавуни поділяються на сірі (пластинчаста форма графіту), ковкі (пластівчаста форма графіту) і високоміцні (глобулярна форма графіту) (рис. 5).

Рисунок 5 – Форма графітних включень в чавунах:а - пластин-часта; б - пластівчаста; в – глобулярна (кулеподібна)

Для оцінки графітних включень слід використовувати шкали, встановлені ГОСТ 3443-87. Графіт дрібний і крихкий, тому чим більший його вміст у чавуні, тим більш крихким є чавун. Механічні властивості графітних чавунів суттєво залежать від форми і розподілу графітних включень (рис. 6). Згідно з формою графіту проводиться і

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: