Промежуточные тесты к теме 1.3

I. Какая из перечисленных характеристик не входит в определение понятия «фаза»?

1. Тип решетки.

2. Свойства.

3. Размер зерна.

4. Граница раздела.

5. Химический состав.

II. Какое из перечисленных утверждений неверно? В результате сплавления компонентов А и В сплав может быть:

1) многофазным;

2) однофазным;

3) многокомпонентным;

4) твердым раствором;

5) химическим соединением.

III. Какой термин в следующем перечне является лишним?

1. Химический элемент.

2. Фаза.

3. Химическое соединение.

4. Компонент.

5. Твердый раствор.

IV. Какое из перечисленных утверждений неверно?

По сравнению с твердыми растворами химические соединения в металлических сплавах:

1) более твердые;

2) имеют постоянный химический состав;

3) менее пластичны;

4) имеют определенную температуру плавления;

5) имеют бóльшую ударную вязкость.

V. Какой из перечисленных факторов является определяющим в формировании механических свойств сплавов?

1. Форма кристаллов.

2. Размеры кристаллов.

3. Микроструктура.

4. Относительное количество кристаллов различных фаз.

5. Их взаимное расположение.

Раздел 2. Влияние химического состава

И термической обработки на структуру

И свойства железоуглеродистых сплавов

Можно считать (конечно, с некоторым преувеличением), что рассмотренные в предыдущих темах «Опорного конспекта» темы составляют основу материаловедения. Ниже знание этих основ будет использовано для изучения влияния химического состава на структуру и свойства сталей и чугунов – основных материалов промышленности (свыше 90% всех применяемых материалов в машиностроении). Особый интерес представляет влияние структурных превращений при термической обработке на механические свойства сталей.

Изучение этих вопросов позволит наглядно продемонстрировать взаимосвязи материаловедения (см. рис. В.1): химический состав - структура - внешние воздействия - свойства.

Тема 2.1. Стали и чугуны (влияние химического состава на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов)

Диаграмма состояния «железо–цементит». Формирование равновесной структуры углеродистых сталей

При сплавлении железа с углеродом (С) образуется карбид железа Fe₃C, называемый цементитом [6], он содержит 6,67 % С.

Промышленные сплавы железа с углеродом содержат до» 4 % С, поэтому их структуру изучают с помощью диаграммы состояния «железо–цементит» (Fe–Ц), т.е. компонентами данной системы являются Fe и Fe₃C (рис. 2.1.1).

На этом рисунке обозначены фазы во всех областях диаграммы, а под рисунком указаны структуры сплавов с различным содержанием углерода при нормальных температурах.

 

Рис. 2.1.1. Диаграмма состояния «Железо-цементит»: внизу под диаграммой – обозначения структур сплавов с различным содержанием углерода при нормальных температурах

На диаграммах состояния верхняя система линий (в данном случае ABCD) называется линией ликвидус (лат. – жидкий), выше нее любой сплав находится в жидком состоянии. На рис. 2.1.1. Ж – жидкая фаза (расплав) - жидкий раствор С в Fe.

Система линий диаграммы непосредственно под ликвидусом (в данном случае AHJECF) называется линией солидус (лат. – твердый), ниже нее любой сплав – в твердом состоянии.

В системе Fe-Fe₃C существуют три твердые (кристаллические) фазы: цементит – химическое соединение (на диаграмме его однофазная «область» - линия – DFKL) и твердые растворы С в Fe – аустенит (область GNJES) и феррит (0GPQ). Наличие двух твердых растворов является следствием полиморфизма железа – его способности существовать в двух модификациях (α и γ) при различных температурах (см. раздел 1.2.1). В интервале температур 0…911 ^оС, а также 1392…1539 ^оС это α–Fe (или Fe_α) с ОЦК решеткой[7], в интервале 911…1392 ^оС железо имеет ГЦК решетку – это γ–Fe (или Fe_γ).

Соответственно при сплавлении железа с углеродом образуются два твердых раствора внедрения С в Fe: феррит (Ф) – раствор С в α–Fe и аустенит (А) – раствор С в γ–Fe.

Из диаграммы Fe–Ц (см. рис. 2.1.1) видно, что окончательная структура (при нормальных температурах) практически всех сплавов (правее т. Q, т.е. >0,01 %С) формируется из двух фаз: Ф и Ц.

Феррит – твердый раствор на основе α–Fe, содержащий < 0,02 %С, очень мягкая (твердость НВ £ 800) и пластичная (относительное удлинение δ ³ 30 %)фаза.

Цементит – карбид железа, напротив, очень тверд (НВ»8000[8]) и хрупок (δ» 0 %). Такие характеристики Ф и Ц обусловливают существенную зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания С (см. ниже, тему 2.1.2).

До сих пор были обсуждены только однофазные области диаграммы Fe-Ц. На рис. 2.1.1 показаны также двухфазные области (заметим, что из логических соображений в любой двухфазной области находятся те фазы, которые расположены слева и справа от данной области).

В конце темы 1.3 отмечалось, что свойства сплавов зависят не только от фазового состава, но и от конкретной структуры сплавов. Чтобы установить структуру сплава, нужно проследить, какие превращения происходят в нем при медленном охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры.

Рассмотрим этот процесс на примере сталей – сплавов с содержанием углерода от 0,02 до 2,14 % С.

Формирование равновесной [9] структуры углеродистых [10] сталей

В процессе кристаллизации

Из диаграммы Fe–Ц (см. рис. 2.1.1) следует, что все стали в результате затвердевания (т.е. непосредственно ниже линии солидус NJBE) приобретают однофазную аустенитную структуру (А).

Видно также, что при дальнейшем охлаждении они пересекают ряд линий диаграммы, значит в них происходят превращения в твердом состоянии. Эти превращения вызваны явлением полиморфизма железоуглеродистых сплавов (а также уменьшением растворимости С в А (линия ЕS) и Ф (линия PQ) с понижением температуры). Как следует из диаграммы Fe–Ц, эти превращения в сталях заканчиваются на линии PSK (727 ^оС), т.к. ниже этой температуры какие – либо критические линии отсутствуют.

На примере стали, содержащей 0,8 %С (т. S), видно, что превращение, происходящее при Т £ 727 ^оС, заключается в распаде аустенита на смесь феррита и цементита:

_охл.

А _S ® Ф_р + Ц, (2.1)

где индексы S и Р показывают содержание С в аустените и феррите соответственно (в цементите оно не указывается, т.к. при любой температуре равно

6,67 %С).

Такое превращение, когда при постоянной температуре из одной твердой фазы образуются две другие (при фиксированных составах фаз) называется эвтектоидным.

В железоуглеродистых сплавах эвтектоидное превращение (2.1) называется перлитным, поскольку в результате него образуется перлит - чередующаяся смесь тонких кристаллов (пластинок) феррита и цементита – структура, напоминающая перламутровый (жемчужный) узор раковин.

В зависимости от содержания С углеродистые стали делятся на

доэвтектоидные (0,02…0,8 %С), эвтектоидные (»0,8 %С), заэвтектоидные (0,8…2,14 %С).

Из приведенного выше обсуждения очевидно, что равновесная структура эвтектоидной стали – перлит (см. рис. 2.1.2 в).

г)

в)

б)

а)

 

Рис. 2.1.2. Структура технического железа (а), доэвтектоидной (б),

эвтектоидной (в), заэтвектоидной (г) сталей

В доэвтектоидных сталях помимо перлита (П) в структуре содержатся кристаллы избыточного [11] феррита, образовавшиеся из аустенита при охлаждении между линиями GS и PS (рис. 2.1.2 б).

В заэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует выделение вторичного цементита (Ц_II)[12] из аустенита, поскольку предельное содержание С в А уменьшается с понижением температуры (по линии ES). Поэтому структура заэвтектоидных сталей состоит из зерен перлита, разделенных сеткой кристаллов Ц_II (см. рис. 2.1.2 г).

Таким образом, основной структурной составляющей углеродистых сталей в равновесном состоянии является перлит (см. рис. 2.1.2). Эвтектоидная сталь содержит одну структурную составляющую (П), все остальные стали по две: доэвтектоидные П + Ф, заэвтектоидные П + Ц_II.

В сплавах, содержащих < 0,02 %С (левее т. Р, см. рис. 2.1.1), перлит в структуре отсутствует, т.к. в процессе охлаждения они не пересекают линию перлитного превращения (PSK). Эти сплавы называются техническим железом в отличие от химически чистого Fe, представленного на диаграмме Fе – Ц вертикалью ANG0). Структура технического Fе – феррит (хотя в сплавах, содержащих 0,01…0,02 %С присутствует небольшое количество третичного цементита – Ц_III).

Заметим, что несмотря на разнообразие структур[13], (обусловленное тем, что сплавы с разным содержанием углерода пересекают при охлаждении различные линии диаграммы Fe –Ц), фазовый состав сплавов, содержащих >0,01%С, одинаков – Ф + Ц.