Наклеп, возврат и рекристаллизация. После снятия нагрузки большей чем предел текучести, в образце остается остаточная деформация

После снятия нагрузки большей чем предел текучести, в образце остается остаточная деформация. При повторном нагружении происходит упрочнение металла. Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом. Наклепанный металл имеет меньшую плотность, более высокое электрическое сопротивление, меньшую теплопроводность, у него падает усталость против коррозии.

Нагрев должен способствовать переходу металла в более устойчивое структурное состояние.

Уже при небольшом нагреве (до 400°С) железа, происходит снятие искажений кристаллической решетки, уменьшается внутреннее напряжение. Однако вытянутая структура зерен сохраняется. Это называется возвратом металла.

При последующем нагреве происходит изменение микроструктуры наклепанного металла.

Схема изменения структуры и свойств деформируемого металла при нагреве.

С ростом температуры подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структуры. Образование новых зерен называется рекристаллизацией.

2 стадии рекристаллизации: первичная или рекристаллизация обработки и собирательная.

Первичная - образование новых равновесных зерен, новые зерна возникают на границе блоков и старых зерен, т.е. там где решетка наиболее искажена при наклепе.

Температуру начала рекристаллизации называют температурным порогом рекристаллизации.

Температура рекристаллизации у сплавов выше, чем у чистых металлов.

Последующий рост температуры приводит ко второй стадии собирательной рекристаллизации (рост вновь образовавшихся зерен).

Образование крупных зерен уменьшает механические свойства металлов.

Деформация может быть холодной и горячей.

Холодная - при температуре меньше температуры рекристаллизации и сопровождается наклепом металла.

Горячая - при температуре больше температуры рекристаллизации, происходит полное или частичное снятие упрочнения.

Есть металлы которые при комнатной температуре не подвергаются наклепу и имеют горячую деформацию (свинец).

3-4 - собирательная рекристаллизация

1-2 - Возврат

3-4 - Первичная кристаллизация

Рекристаллизация

Возврат

Химически стойкие сплавы

Формирование структуры сплавов при кристаллизации

Диаграммы состояния показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации (их строят для условий равновесия).

Эти диаграммы характеризуют состояние сплавов, т.е. после того как превращения в них произошли и закончились.

Это состояние сплавов зависит от внешних условий (температуры, давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз определяется правилом фаз.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

С = К + 2 - Ф;

где С - число степеней свободы системы (вариантность);

К - число компонентов, образующих систему, или минимальное число химических элементов, необходимых для образования любой фазы системы;

2 - число внешних факторов;

Ф - число фаз, находящихся в в равновесии.

Вариантность - (число степеней свободы) - это возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

В двойной системе в равновесии могут находится не более трех фаз, в тройной системе - не более четырех и т.д.

Диаграммы строят экспериментально. Для их построения используют термический метод, с помощью которого получают кривые затвердевания и охлаждения сплавов, по остановкам и перегибам определяют температуру превращений. Точки перегиба или остановки на диаграммах называют критическими. Они соответствуют температурам, при которых в сплавах начинаются, заканчиваются или протекают превращения.

На осях по горизонтали откладывается концентрация, по вертикали - температура.

Основные типы диаграмм.

1. Диаграмма образования механической смеси из чистых компонентов.

Компоненты: А, В; фазы: - жидкость, кристаллы А,В.

Свинец-сурьма (Pb-Sb)

t°C

100% Sb

Концентрация

60% Pb 40% Sb

631°

Sb+ж

Pb+ж

Эвтектика Sb⁺

Эвтектика Pb⁺

327°

87% Pb 13% Sb

95% Pb 5% Sb

100% Pb

Кривые охлаждения имеют по одной критической точке 327°С для свинца и 631°С для сурьмы. Структура чистых металлов состоит из однородных зерен. Сплав содержащий 13% Sb и 87% Pb имеет тоже одну критическую точку. Механическая смесь двух видов кристаллов одновременно кристаллизирующихся в жидкости называют эвтектикой. Сплавы с 5 и 40% сурьмы затвердевают в интервале температур и на кривой охлаждения имеют две критические точки, соответствующие началу и концу затвердевания. Линия начала затвердевания - линия ликвидуса (жидкий), конец затвердевания - линия солидуса (твердый).

2. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов

в твердом состоянии.

Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состоянии и не образуют химических соединений.

Два перегиба. Между а' и b' - началом и концом затвердевания из жидкого расплава выпадают кристаллы твердого раствора.

A a' B - ликвидус; B b' А - солидус; выше A a' B - жидкий раствор, ниже B b' A - твердый. Внутри кристаллы жидкого и твердого раствора.

3. Диаграммы состояния с органической растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Fe-C;

Al-Cu;

При медленном охлаждении сплавов и высокой степени диффузии вторичная фаза выделяется по границам зерен, образуя сетку. Ускоренное охлаждение не дает развиться диффузии и вторичные фазы выделяются внутри зерен в виде дисперсных включений. Выше линии ВСН (ликвидус) - жидкий раствор, ВЕСDН - солидус, соответствует температурам конца затвердевания, ЕСD - линия эвтектического превращения, С - эвтектическая точка.

4. Диаграмма состояния сплавов с перитектическим превращением.

Перитектическое превращение - это когда жидкая фаза взаимодействуя при постоянной температуре с ранее выпавшими кристаллами твердой фазы образует новый вид кристаллов.

АВС - ликвидус;

АЕDС - солидус;

ВЕD - линия перитектического превращения.

5. Диаграмма состояния, образующих химические соединения.

Химические соединения - устойчивые соединения и неустойчивые.

Химическое соединение устойчиво если его можно нагреть без разложения до расплавления, и неустойчиво если оно разлагается.

6. Диаграмма состояния сплавов испытывающих полиморфные соединения.

Железо, титан, селен, кобальт, марганец (Fe, Ti, Sn, Co, Mn).

Верхняя часть графика - первичная кристаллизация, нижняя часть - вторичная.

Железо и его сплавы

Железо - серебристо-серый металл, принадлежащий к VII группе периодической системы.

Железо в твердом состоянии может находится в двух полиморфных модификациях: объемно-центрированной и гранецентрированной (куб).

Кривая нагрева и охлаждения.

В двух полиморфных и одном магнитном превращениях.

При магнитном превращении температурная остановка 768°С связанная не с перестройкой кристалической решетки и перекристализацией, а с внутренним и внешним изменением электронных оболочек.

Углерод (С) принадлежит к IV группе периодической системы. В природе: алмаз и графит - мягкий материал и обладает низкой прочностью.

Углерод образует с железом твердые внедрения.

В системе железо-углерод присутствуют следующие фазы: жидкая, твердые растворы феррита и аустенита, химические соединения цементита и графита.

Феррит (Ф) - внедрение углерода (С) в a-железо, свойства близки к чистому железу, при температуре +20°С в феррите растворяется около 0,006% углерода.

Аустенит (А) - внедрение углерода в g-железо при температуре 727°С - 0,8% углерода. Обладает большей вязкостью, хорошей сопротивляемостью старению, химической стойкостью и твердостью.

Цементит (Ц) - карбид железа (Fe-Fe₃C) 6,67% углерода. Температура плавления 1252°С, высокая твердость, легко царапает стекло, очень хрупок, низкая пластичность, при нагреве распадается.

Кермет - эвтектоидная смесь зерен цементита и феррита, соответствующая полному распаду твердого раствора аустенита и содержащая 0,8% углерода.

Ледебурит - состоит из цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Аустенит при 727°С превращается в кермет, и при нормальной температуре ледебурит состоит из смеси кермета и цементита, содержит 4,3% углерода. Характерен для структуры белых чугунов.

Представлены две системы сплавов.

- Система Fe-Fe₃C - неустановившаяся (нестабильная), т.к. цементит - неустановившееся соединение, способное при нагреве распадаться (сплошные линии). Характеризует стали и белые чугуны.

- Система Fe-С (стабильная, пунктиром) характеризует сплавы, в которых углерод находится в свободном состоянии (графит).

По вертикальной оси отложена температура, а по горизонтальной - концентрация углерода.

Диаграммы охватывают сплавы, с содержанием С до 6,67%, с большим содержанием углерода сплавы применения не находят.

Точка А - соответствует температуре плавления t_ПЛ (затвердевания) чистого железа (1539°С) - D - t_ПЛ цементита (1250°С).

АСD - линия ликвидуса;

AECF - линия солидуса.

Выше линии ликвидуса - сплавы находятся в жидком состоянии.

Линия солидуса показывает температуру затвердевания сплавов, на ней заканчиваются процессы первичной кристаллизации.

Между солидусом и линией PSK - проходят процессы вторичной кристаллизации.

Первичная кристаллизация:

АСЕ - охватывает сплавы, содержащие до 4,3% углерода.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

По линии АС из жидкого расплава выделяются кристаллы твердого раствора углерода в -железе (аустенит).

На линии АF - заканчивается кристаллизация сплавов содержащих до 2,14% углерода и образуется аустенит.

Между АС и АЕС - сплавы имеют двухфазное состояние: кристаллы железа, изменяющие свой состав по линии АЕ, и жидкий сплав, изменяющий свой состав по линии АС.

При температуре 1147°С в аустените содержится 2,14% углерода (точка Е), а в жидкой части сплава 4,3% углерода (точка С).

Сплавы, содержащие 4,3% углерода выделяются среди других в системе: они затвердевают при одной температуре 1147°С (точка С), образуя только эвтектику (ледебурит).

Линия DC - начало выделения из жидкого сплава кристаллов первичного цементита Fe₃С₁. В интервале от DС до СF - двухфазное состояние: кристаллы цементита и жидкий сплав, состав которого изменяется по линии DС до концентрации 4,3%. На линии СF - кристаллизация заканчивается появлением эвтектики.

Вторичная кристаллизация - ниже линии солидуса.

В сталях на участке между линиями АЕ и GSE все сплавы имеют однофазное состояние и имеют структуру аустенита.

Точка S (сталь содержит 0,8% углерода при температуре 727°С) претерпевает эвтектоидное превращение: из аустенита образуется смесь феррита и цементита (кермет). Это превращение называют аллотропическим.

При охлаждении линия GS - начало выделения из аустенита кристаллов феррита.

По линии ЕС - из аустенита выделяются кристаллы вторичного цементита.

На линии SK - аустенит превращается в перемет.

Сплавы содержащие 2,14 ¸ 6,67% углерода ниже линии ЕСF (1147°С) находятся в двухфазном состоянии: аустенит и цементит. Аустенит по линии ЕСF - имеет максимальную концентрацию углерода 2,14%. Ниже ЕСF - при охлаждении из аустенита выделяется вторичный цементит.

При температуре 727°С остается 0,8% углерода и он превращается в перит.

Углеродистые стали.

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем, 90% изготавливается, углеродистой стали, а 10% легированной.

Углеродистая сталь помимо основы (железа и углерода) содержит постоянные примеси (Si, Mn, P, S, O₂, N₂, H₂) и случайные примеси (хром, никель, медь). Некоторые примеси (Mn, Si) необходимы в стали по условиям технологии её выплавки. Вредные примеси (S, P) не поддаются полному удалению.

Влияние примесей на свойства сталей.

Кремний - раскисляет сталь и растворяясь в феррите, повышает его упругость и жесткость.

Марганец - упрочняет феррит, образуя карбид Mn₃С, повышает механические свойства стали, увеличивает ее прокаливаемость и устраняет вредное действие серы.

Сера - вредная примесь, приводит к красноломкости стали (повышенной хрупкости в горячем состоянии при ковке и прокатке), понижает сопротивляемость стали к истиранию и усталостному разрушению, уменьшает химическую стойкость.

Фосфор - вредная примесь, увеличивает хрупкость при нормальной температуре (хладоломкость), понижает ударную вязкость стали.

N₂ и О₂ - понижают ударную вязкость и увеличивают порог хладноломкости.

Н₂ - если его немного он выделяется из металла, но если представлен в большом количестве - приводит к внутренним надрывам в металле.

Классификация, маркировка и применение углеродистых сталей.

Стали классифицируют по:

- химическому составу;

- структуре;

- способу производства;

- качеству;

- назначению;

- раскислению.

По структуре: малоуглеродистые (до 0,3% углерода), среднеуглеродистые (0,3 …0,65% С) и высокоуглеродистые (более 0,65% углерода).

По способу производства: в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конверторным способом.

По способу раскисления: кипящие, полуспокойные, спокойные.

По качеству: обыкновенного качества (серы £ 0,06 %, фосфора £ 0,04 %), качественные (серы < 0,04%, фосфора < 0,04%), высококачественные (серы < 0,03%, фосфора < 0,03%).

По назначению: конструкционные и инструментальные.

Конструкционные - строительные (малоуглеродистые) и машиностроительные (мало- и среднеуглеродистые).

Инструментальные - для изготовления режущего, измерительного и штампового инструмента.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71). Изготовляют в крупных мартеновских печах и кислородных конверторах.

Обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6.

Ст - сталь, цифры - номер марки стали в зависимости от ее химического состава.

В конце обозначения ставят буквы: "кп" - кипящая;

"пс" - полуспокойная;

"сп" - спокойная.

Качественные углеродистые стали. (ГОСТ 1050-88). Изготовляют в электропечах, кислородных конверторах, мартеновских печах.

Маркируют двухзначными цифрами: 05, 15, … 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывают степень раскисляемости "кп", "пс". В случае спокойной - не указывается.

Высококачественные стали бывают не углеродистые, а легированные, в конце марки добавляют букву А (например У10А).

Если углерода > 2,14% - чугун.

Легированные стали

Сталь содержащая, кроме постоянных примесей (марганец, кремний) один или несколько специальных элементов или повышенные концентрации марганца, кремния более 1%, называется легированной. В качестве легирующих примесей используют: хром, никель, вольфрам, марганец, титан, кобальт и т.д.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали.

Хром - увеличивает твердость и прочность, увеличивает прокаливаемость стали, увеличивает сопротивляемость коррозии, при содержании хрома более 13%, сталь становится нержавеющей. Хром увеличивает жаропрочность, изменяет магнитные свойства стали.

Никель - придает прочность, высокую пластичность, вязкость. Его используют в значительных количествах когда необходимо получить немагнитную сталь и сталь с повышенной антикоррозионной стойкостью. Для легирования инструментальных сталей никель не применяется.

Вольфрам - увеличивает твердость стали и придает ей красностойкость (способность сохранять твердость при высоких температурах). Его вводят в инструментальные и быстрорежущие стали.

Ванадий - увеличивает твердость, способствует образованию мелкозернистой структуры, увеличивает упругость и сопротивление усталости (добавляется в инструментальные стали).

Молибден - увеличивает твердость и прочность при повышенных температурах. Способствует глубокой прокаливаемости стали, придает мелко- зернистость (добавляется в конструкционные, инструментальные и жаропрочные стали).

Марганец - увеличивает прочность, и твердость стали, сильно увеличивает глубину ее прокаливаемости, придает стали износостойкость, и магнитоустойчивые свойства.

Кремний - увеличивает кислотостойкость, жаропрочность, электрическое сопротивление и магнитную проницаемость.

Алюминий - добавляется для увеличения твердости азотируемой стали. Сталь с 5-6% алюминия приобретает окалиностойкость.

Классификация, маркировка и применение легированных сталей.

Легированные стали делятся по: назначению, химическому составу, по структуре.

По назначению:

1). Конструкционные - изготовление деталей, машин конструкций (работающих в условиях обычных и повышенных температур, окалиностойкие, высокие механические свойства).

2). Инструментальные стали (3 вида: для режущего инструмента, для штампов, для измерительного инструмента). Должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

3). Стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, с высоким электрическим сопротивлением, электротехнические, с особым тепловым расширением, магнитные, для работы при высоких температурах (жаропрочные и жаростойкие).

По химическому составу:

а) в зависимости от количества одновременно находящихся легирующих элементов: тройные, четверные и сложнолегированные.

б) от основных легирующих элементов: хромистые, марганцовистые, хромо марганцовистые и др.

в) в зависимости от общего содержания легирующих элементов: низколегированные (не больше 3%), среднелегированные (3 ¸ 10 %), и высоколегированные (больше 10%).

г) в зависимости от химического состава и свойств конструкционная сталь делится на качественную, высококачественную и особо высококачественную.

По структуре в отожженном состоянии: доэвтектоидные (свободный феррит) и заэвтектоидные (ледебурит).

По структуре после охлаждения: керметная, мартенситная, аустенитная.

Маркировка

Легированные элементы обозначают буквами: Х - хром, Н - никель, В - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, Г - марганец, С - кремний, К - кобальт, Ц - цирконий, Р - бор, Б - ниобий. Буква "А" в середине марки - содержание азота, в конце - сталь высоколегированная.

Для конструкционных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Например:

18ХГТ

0,18% углерод, марганец -1%, хром -1%, титан -0,1%.

Около 1% легирующих элементов цифра не ставится.

Например:

03Х13АГ19 - 0,03% углерод, 13% - хром, азот, 19% марганец.

Для некоторых групп применяют дополнительные обозначения.

Автоматные стали с А, подшипниковые - с Ш, быстрорежущие - с Р, электротехнические - с Э, магнитотвердые - с Е.

Инструментальные стали.

Предназначены для изготовления различных видов инструмента, делятся на 4 категории: пониженной прокаливаемости (углеродистые), повышенной прокаливаемости (легированные), штамповые, быстрорежущие.

Инструменты делят на: режущие, измерительные, штампы.

Для режущих применяют стали повышенной твердости и красностойкости.

Для измерительных - износостойкие, способные сохранять свои размеры.

Штампы - стали с повышенной твердостью и вязкостью.

Инструментальные стали пониженной прокаливаемости.

Включают в себя: все углеродистые, инструментальные и с небольшим содержанием легирующих элементов. Эти стали закаливают в воде.

Инструмент, изготавливаемый из этих сталей, имеет незакаленную сердцевину. После термообработки стали приобретают высокую твердость, прочность и износостойкость, но сохраняют их лишь при относительно невысоком нагреве (200 -250°С).

В качестве углеродистых инструментальных сталей используют стали по ГОСТ 1435-74 имеющие невысокую твердость и хорошую обрабатываемость в отожженном состоянии (слесарный инструмент, матрицы для холодной штамповки).

Легированные - матриц, метчиков, сверл.

Инструментальные стали повышенной прокаливаемости - легирующие элементы от 1 до 3%. Их закаливают в масле. Из них изготавливают инструменты, для которых необходима повышенная твердость и износостойкость (сверла, фрезы, плашки, калибры).

Стали для измерительных инструментов.

Из углеродистых сталей и легированных пониженной и повышенной прокаливаемости. Для измерительных инструментов большое значение имеет стабильность размеров в течении длительного времени, и коэффициент теплового расширения, не изменяющийся при температурных колебаниях, высокая твердость, износостойкость.

Быстрорежущие стали для изготовления режущих инструментов (высокая твердость, износостойкость, красностойкость при высоких скоростях резания). Их обозначают буквой Р (рапир - скорость). Цифры после Р показывают среднее содержание основного легирующего элемента вольфрама.