Диаграмма фазового состояния системыFe - FезС. Как уже отмечалось, разрядка остаточных напряжений при отжиге происходит только в результате развития пластической деформации

Как уже отмечалось, разрядка остаточных напряжений при отжиге происходит только в результате развития пластической деформации. Если остаточные напряжения значительно меньше предела текучести, то релаксируют они медленно вследствие развития ползучести. Для более полного и более быстрого уменьшения остаточных напряжений используют различные временные перегрузки изделия, которые суммируясь с остаточными напряжениями, вызывают пластическую деформацию во всем изделии или в отдельных его участках.

Самые старые способы создания временных перегрузок — принудительная вибрация и остукивание со всех сторон чугунных отливок. Эти простые приемы весьма эффективно предотвращают коробление. Для стабилизации размеров чугунных отливок можно применять также временное статическое нагружение. Например, в длинных станинах создают с помощью домкратов изгибающие моменты.

Детали из силуминов типа АЛ2 и АЛ9 охлаждают до температур минус 40—минус 196°С, затем отогревают до комнатной температуры и помещают в печь, нагретую до 150°С (или сразу переносят в печь). Затем детали охлаждают до комнатной температуры и вновь обрабатывают холодом. В течение трех циклов такой обработки (последней всегда должна быть операция нагрева) остаточные напряжения уменьшаются на 30—70%. Обычный длительный отжиг при верхней температуре термического цикла (150°С) несравненно слабее уменьшает остаточные напряжения.

Из-за большой разницы в термических коэффициентах линейного расширения алюминиевой и кремниевой фаз (примерно 6,5 раз) на межфазных границах возникают микронапряжения. При обработке холодом эти микронапряжения усиливаются, складываясь с остаточными напряжениями, вызывают при нагреве значительные пластические деформации. Таким образом, чередование захолаживания до отрицательных температур и последующего нагрева усиливает пластическое течение в микроучастках и этим способствует более полному уменьшению остаточных напряжений.

Естественному термоциклированию (с незакономерными циклами изменения температуры под действием солнца, ветра и дождя) подвергаются чугунные отливки во время вылеживания под открытым небом. Возникающие при этом временные перегрузки способствуют большей стабилизации размеров, чем вылеживание тех же отливок в закрытом помещении.

Чтобы снизить закалочные напряжения в плитах, штамповках и других деталях из алюминиевых сплавов, которые нельзя отжигать из-за недопустимости разупрочнения, предлагается применять обработку холодом с последующим термоударом. Закаленное изделие помещают в жидкий азот (—196°С), а затем быстро нагревают до невысоких температур в кипящей воде или струе пара. Предварительное захолаживание в жидком азоте позволяет увеличить термические напряжения во время термоудара при высокой температуре нагрева.

 

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Фазовые превращения в твердом состоянии. Изотермические и термодинамические диаграммы превращений

Диаграмма фазового состояния системыFe - FезС

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них - сталь и чугун - представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы.

На диаграмме состояния железо--углерод приведен фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 %).

в системе Fe - С различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы - феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит - твердый раствор углерода и других примесей в а-железе (решетка ОЦК). Различают низкотемпературный а-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный &-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %.

Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29R (R - атомный радиус железа), а также в вакансиях, на дислокациях и т. д.

Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен.

Аустенит - твердый раствор углерода и других примесей в у-железе (решетка ГЦК). Предельная растворимость углерода в у-железе 2,14%.

Атом углерода в решетке у-железа располагается в центре элементарной ячейки, в которой может поместиться сфера радиусом 0,41R ив дефектных областях кристалла. Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимост углерода в у-железе по сравнению с а-железом.

Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна.

Цементит - это химическое соединение железа с углеродом карбид железа FезС. В цементите содержится 6,67 % углерода.

Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов.

Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается примерно равной 1500 ос.

До температуры 21О ос цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость НУ 1000 (10000 МПа) и очень малая пластичность.

Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

2.1. Определить марку углеродистой стали, если известно, что после отжига в ее структуре 1О % перлита и 90 % феррита.

Решение

Если сплав состоит из двух фаз, то их количественное соотношение определяется правилом рычага (правило отрезков). Для сплава состава Ь: а = (sb / sp) 100 % (см. диаграмму);

точка S (0,80 %) - содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии с ферритом и цементитом при эвтектоидной температуре (Тэ8т = 723 ОС);

точка Р (0,025 %) - предельное содержание углерода, растворенного в феррите, находящемся в равновесии с аустенитом и цементитом при эвтектоидной температуре;

точка Ь - содержание углерода в данной марке стали;

ά- объемное содержание феррита в структуре, %;

 

(0,8-Ь)/(0,8 - 0,025) *100 % = 90 % => Ь = 0,1.

 

Ответ: сталь 10.

 

2.1.2. Превращения в стали при нагреве и охлаждении

На диаграмме состояний железо-углерод к сталям относятся сплавы железа с содержанием углерода до 2,14 % С (см. диаграмму). Термическая обработка стали основана на реализации фазовых и структурных превращений при нагреве и охлаждении. Открытие в 1868 г. выдающимся русским ученым-металлургом Д.К Черновым критических точек в стали поставило термическую обработку на научную основу.

Сталь нагревают в специальных термических печах с пламенным или электрическим обогревом. Первое превращение стали происходит при температуре около 723 ОС (см. диаграмму, изотерма PSK). Оно состоит в превращении феррито-цементитной смеси (перлит) в аустенит, являющийся твердым раствором внедрения углерода в y-Fe. Содержание в аустените углерода при этой температуре составляет 0,8 % С независимо от количества последнего в обрабатываемой стали.

Температура превращения перлит-аустенит (П-А) является первой критической точкой (обозначают Ас,). При этой температуре, вследствие аллотропического превращения a-Fe ~ y-Fe, образуется более энергетически выгодная, чем перлит, фаза-аустенит. В ней растворяется весь находившийся в перлите углерод.

Таким образом, при нагреве стали до точки Ас1 после определенной выдержки (необходимой для протекания приводящих к равновесию диффузионных процессов) сталь приобретает равновесный двухфазный состав соответственно: ФО.О2 + По.8 ---7 ФО.О2 + АО.8 (в доэвтектоидной стали, С < 0,8 %) или По.8 + Ц6.67 ---7 АО.8 + Ц6.67 (в заэвтектоидной стали, С > 0,8 %).

При этом при температуре 723 ос в феррите содержится около 0,02 % С (точка Р), в аустените - 0,8 % С (точка S), в цементите 6,67 % С.

При дальнейшем повышении температуры в доэвтектоидных сталях составы феррита и аустенита изменяются соответственно по линиям PG и SG (т. е. в них фактически происходит растворение Ф в А).

В заэвтектоидных сталях равновесие между аустенитом и цементитом с ростом температуры поддерживается за счет растворения Ц вА, приводящего к обогащению аустенита углеродом (вплоть до2,14 % С в точке Е) и уменьшению количества цементита.

Точки, лежащие на линии SG, принято обозначать Асз, а на линии SE - Аст. При дальнейшем нагреве доэвтектоидных сталей, начиная с температур, равных Асз + (30...50) ос, наблюдается рост зерна аустенита. В заэвтектоидных сталях это происходит начиная с температур нагрева Аст + (30...50) ос.

Температуры нагрева при термической обработке стали обычно ограничиваются вышеуказанными величинами. Хотя в интересах сокращения времени на обработку, было бы желательно ускорять диффузионные процессы путем нагрева стали до более высоких температур.

В соответствии с режимом термообработки, после нагрева и выдержки стали при заданной, зависящей от содержания углерода температуре, следует процесс охлаждения.

При равновесном, т. е. достаточно медленном, охлаждении стали при достижении определенной температуры (точки на линии SG) из аустенита начнет образовываться феррит (А ---7 Ф + А) и сталь снова будет состоять из двух фаз (Ф + А). Если данный процесс протекает равновесно, то их химический состав изменяется соответственно по линиям PG и SG.

Критическая температура, соответствующая началу образования феррита из аустенита при охлаждении, обозначается Агз. Ее величина зависит от содержания углерода в стали.

Когда температура достигнет изотермы PSK, равновесный фазовый состав стали будет представлен ферритом и аустенитом, содержащими соответственно 0,02 и 0,8% С.

При температуре, обозначаемой критической точкой Аrз, происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит АО,8 → ФО,О2 + Ц6,67. Феррит и цементит в колонии перлита, образующегося при распаде аустенита, имеют форму чередующихся пластинок. Таким образом, при равновесном охлаждении получается исходный равновесный структурно-Фазовый состав. В доэвтектоидной стали - Ф + П.

Аустенит заэвтектоидной стали после равновесного охлаждения превращается в исходную смесь перлита и цементита (П + Ц). При этом, начиная с температур, лежащих на линии SE, из него будет выделяться избыточный углерод в виде вторичного цементита, а при температуре Ас! аустенит превратится в перлит.