ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ ДІАГРАМИ ЗАЛІЗО-ВУГЛЕЦЬ

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.