Стабильное и метастабильное равновесие в системе Fe-C.

Стабильное и метастабильное равновесие в системе Fe-C.

Почему при обычных скоростях охлаждения расплавов Fe-C с малым содержанием углерода вместо графита появляется цементит?

• Концентрационная (%С_Ц << %C_Г, 6,67<<100, ð диффузионный путь меньше при образовании зародыша цементита);

• Структурная (большее сходство решеток А и Ц, чем А и Г, в Ц есть кристаллографические плоскости со сходным расположением атомов, ð удельная поверхностная энергия межфазных границ меньше ð меньше работа образования критического зародыша Ц) – проявляется при образовании Ц из А;

• Деформационная, или объёмный фактор (различие удельных объемов А и Ц меньше, чем А и Г, ð меньше работа образования критического зародыша Ц) – проявляется при образовании Ц из А.

 

Почему при 1000 ^оС содержание углерода в аустените при его равновесии с графитом меньше, чем при равновесии с цементитом?

по правилу рычага 1.4/6,67 и 1,3/100

Эвтектоидное превращение в сплавах Fe-C.

Почему феррит и цементит в перлите имеют пластинчатую форму?

Однородный аустенит всегда превращается в пластинчатый перлит.Нагрев до высокой температуры, когда создаются условия для образования более однородной структуры, способствует появлению пластинчатых структур. Перлит – продукт эвтектоидного превращения высокотемпературной фазы –аустенита при термической обработке сплавов. Аустенит при охлаждении при температуре 723° С распадается на феррит и цементит. Перлитное превращение всегда начинается на границах зерен аустенита. Чтобы возникли частицы новой фазы, нужно создать зоны пониженной и повышенной концентрации углерода. Исходный аустенит содержит 0,8% углерода, а в результате превращения образуется феррит, практически не содержащий углерода, и цементит с 6,67% углерода. Для объяснения этих процессов предложен флуктуационный механизм, согласно которому атомы углерода с большой диффузионной подвижностью при высоких температурах, могут создавать зоны с повышенной концентрацией углерода. Этот процесс является энергетически выгодным, и зародыш цементита вырастает до критического размера.

Чем сорбит отличается от троостита?

дисперсностью частиц

Дисперсность перлита, который возникает при этом превращении,зависит от скорости охлаждения v охл. При v охл около 5 °С/мин в области температур выше 650 °С образуется грубопластинчатый эвтектоид с межпластиночным расстоянием ~ 1 мкм – перлит (П). При v охл около 50 °С/мин* образовавшийся эвтектоид имеет более тонкое строение (межпластиночное расстояние 0,2…0,4 мкм), и его называют сорбитом (С). Распад аустенита A при охлаждении стали со скоростью примерно 50 °С/с дает эвтектоид, строение которого неразличимо под световым микроскопом (межпластиночное расстояние 0,1 мкм). Строение такого эвтектоида – его называют трооститом

Нарисовать график зависимости массовой доли перлита как структурной составляющей от содержания углерода для сплавов Fe-Fe₃C.

В углеродистой стали толщина пластины цементита внутри эвтектоида равна 0,15 мкм. Как называется эвтектоид – перлитом, сорбитом или трооститом?

Толщины пластинок в перлите находятся в постоянном соотношении – около Ф:Ц = 7,3:1. Соответственно толщина пластинок феррита в перлите Δ=7,3*0,15=1,095мкм. Это значение соответствует перлиту.

 

 

Серые чугуны.

Как рассчитать массовую долю феррита в сером чугуне на перлитной основе, содержащем 3 % С?

Нарисуйте кривую охлаждения серого чугуна на феррито-перлитной основе.

Ковкие чугуны.

В чем отличие термообработки для получения ковкого чугуна с ферритной основой от обработки для получения ковкого чугуна с перлитной основой?

Ковкие чугуны получаются отжигом доэвтектического белого чугуна. Отжиг проводят при температурах 950…1000 °С. При отжиге происходит разложение метастабильного цементита, а, следовательно, вместо него зарождается и растет графит, а цементит растворяется. После полного растворения цементита проводят охлаждение, в ходе которого может образоваться перлитная, феррито-перлитная или ферритная основа. Металлическая основа определяется в основном скоростью охлаждения.

Высокопрочные чугуны.

Нарисуйте микроструктуру высокопрочного чугуна на феррито-перлитной основе.

Микроструктура

высокопрочного чугуна с ферритно-перлитной металлической основой

47. Мартенситное превращение в углеродистых сталях.

Почему в углеродистых сталях мартенсит имеет повышенную плотность дислокаций?

Структурная составляющая кристаллическихтвердых тел, возникающая в результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения приохлаждении. В результате деформации кристаллической решетки при этом превращении (т.н.кооперативного сдвига) на поверхности металла появляется рельеф; в объеме же возникают внутренниенапряжения и идет пластическая деформация, которые и ограничивают рост кристалла мартенсита. Внутренние напряжения снимаются также пластической деформацией,поэтому кристалл мартенсита имеет повышенную плотность дислокаций (до 10¹² см^-2) или разбивается надвойники толщиной 1-100 нм. Внутризеренные границы и дислокации упрочняют мартенсит.

Какова причина возникновения фазового наклепа при мартенситном превращении в углеродистых сталях?

Мартенсит имеет высокую хрупкость и твердость (до 65 НRC_Э). Высокая твердость мартенсита обусловлена искажениями кристаллической решетки и соответственно большими внутренними напряжениями, определяемыми растворенным углеродом, а также возникновением фазового наклепа вследствие увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит, в результате чего плотность дислокации в мартенсите достигает уровня плотности дислокации холоднодеформируемой стали и равняется 10¹⁰–10¹² см^–2.

Влияние содержания углерода на свойства мартенсита.

Кристаллы в зависимости от состава сплава, а следовательно в зависимости от температуры своего образования, могут иметь различную морфологию и субструктуру. Различают два вида мартенсита: пластинчатый (игольчатый) и пакетный (реечный) (рис. 8.10).

Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, имеющих низкие значения М _н и М _к. В этом случае кристаллы мартенсита в средней зоне содержат большое число микродвойников, образующих зону повышенной травимости, называемой мидрибом (рис. 8.10, а). Сами кристаллы мартенсита в этом случае представляют собой широкие пластины, которые в плоскости шлифа имеют вид игл.

Пакетный (реечный) мартенсит характерен для низко- и среднеуглеродистых, а также конструкционных легированных сталей. В этом случае кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек, вытянутых в одном направлении (рис. 8.10, б) и объединенных в пакеты. Тонкая структура пакетного (реечного) мартенсита представляет собой запутанные дислокации высокой плотности (» 10¹⁰–10¹²см²) при полном отсутствии двойников. В легированных сталях внутри мартенситных пакетов между кристаллами мартенсита, как правило, присутствуют прослойки остаточного аустенита (рис. 8.10, б).

Характерной чертой мартенсита является его высокая твердость и прочность, значения которых возрастают с увеличением содержания углерода в мартенсите. Временное сопротивление низкоуглеродистого мартенсита (0,025 % С) составляет 1000 МПа, а мартенсит с содержанием 0,6–0,7 % С имеет временное сопротивление 2 600–2 700 МПа. Однако с повышением в мартенсите содержания углерода возрастает и его склонность к хрупкому разрушению. Мартенсит, содержащий более 0,35–0,4 % С, имеет низкое сопротивление зарождению и распространению трещины, а также низкие значения вязкости разрушения K _Iс.

Почему температура начала мартенситного превращения падает с повышением содержания углерода в сталях? Зависимость температур начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного
превращения от содержания углерода в системе Fe — С.

Содержание углерода в стали и в аустените не всегда одинаковое, так как углерод входит в состав карбидов. Карбиды, сосуществующие с аустенитом, сами по себе не влияют на точку М_н. При повышении температуры закалки, когда карбиды растворяются в аустените и концентрация углерода в нем возрастает, точка М_нснижается.

Изменение состава влияет на температуру начала мартенситного превращения, так как меняется температура Т₀, а также степень переохлаждения Т₀ — М_н.

48. Бейнитное превращение в сталях.

Какова причина формирования неоднородного распределения углерода в аустените на начальной стадии бейнитного превращения?

из-за дифузии атомов углерода

В чем отличие структуры верхнего бейнита от нижнего?

Бейнит,образующийся в стали с содержанием 0.8% С в области температур примерно от 550 до 350 градусов С, называется верхним бейнитом,а бейнит образующийся в области температур от 350 до 240 градусов- нижним бейнитом, но эти границы весьма условны.Верхний бейнит имеет вид перистой структуры при HRC 45.Микроструктура нижнего имеет характерное игольчатое строение.HRC 55.

Как получить в стали бейнит?

чтобы получить бейнит нам нужно охлаждать от 550 градусов до 230 так, чтобы не началось перлитное превращение и Мартенситное

Бейнитное превращение переохлажденного аустенита происходит в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенситного интервала, поэтому его часто называют промежуточным.Протекает в интервале температур, когда рпактически отсутствует диффузия железа, но интенсивно протекает диффузия углерода.

49. Термическая обработка стали. Гомогенизирующий, рекристаллизационный и сфероидизирующий отжиг. Нормализация.

Гомоген. Диффузионный отжиг состоит в нагреве до температур, значительно превосходящих критические точки, и продолжительной выдержке; используется для литого материала, обеспечивает получение равновесной структуры. Диффузионный отжиг приводит к достижению более однородных свойств по объёму изделия и особенно улучшению механических свойств в поперечном (по отношению к прокатке) направлении. В необходимых случаях для предотвращения обезуглероживания стали производят отжиг в защитных атмосферах. При диффузионном отжиге идут следующие процессы:

1. выравнивание химического состава до равновесного;

2. растворение избыточных фаз;

3. выделение фаз из пересыщенного твердого раствора — особый случай — гетерогенизация во время гомогенизации, наблюдается в алюминиевых сплавах, содержащих хром, цирконий и скандий;

4. рост зерна;

5. образование и рост пор.

рекрист.

Рекристаллизационный отжиг — нагрев до температуры на 100—200 °C выше температуры рекристаллизации, выдержка и последующее охлаждение. Вследствие процесса рекристаллизации происходит снятие наклепа, и свойства металла соответствуют равновесному состоянию.

Такое название отжиг получил, потому что целью его является превращение пластинчатого перлита в зернистый — сфероидизированный. Это улучшает обрабатываемость резанием инструментальных сталей.

В результате сравнительно быстрого охлаждения таких сталей после прокатки они приобретают структуру пластинчатого перлита или сорбита. В пластинчатом перлите цементит имеет форму тонких пластинок, расположенных в виде слоев в поле феррита. Сталь с такой структурой имеет повышенную твердость, что затрудняет ее обработку режущим инструментом. Если же цементит располагается в феррите в виде мелких округлых зернышек, то твердость стали снижается, и обработка ее режущим инструментом значительно облегчается. Перлит, в котором цементит имеет форму мелких зернышек, называется зернистым

 

 

После какой термической обработки доэвтектоидной стали избыточный феррит имеет игольчатую форму? Опишите обработку. Дайте название микроструктуры.

После какой обработки цементит в стали имеет округлую форму?

сфероид.

50. Закалка стали, полная и неполная, влияние на свойства. Обработка холодом.

Нарисуйте график зависимости содержания углерода в мартенсите от температуры закалки для стали 50.

Почему для упрочнения доэвтектоидных сталей не используют неполную закалку?

доэвтектоидной стали

после неполной закалки. Структурные составляющие – феррит (более крупные зерна) и мартенсит – имеют резко различающееся сопротивление пластической деформации, что отрицательно сказывается на прочности стали. Такую обработку для доэвтектоидных сталей не применяют.

Углеродистую эвтектоидную сталь охлаждали от температуры 750 ^оС до комнатной температуры со скоростью а) ниже нижней критической и б) выше верхней критической. Каков химический состав фаз в каждом из этих двух случаев?

Перлит в 11 случае

мартенсит и аустенит во втором

51. Отпуск стали. Фазовые и структурные превращения при отпуске углеродистой стали.

Чем сорбит отпуска отличается от сорбита?

Структуры, образующиеся при отпуске на 450…650 °С, называют трооститом отпуска и сорбитом отпуска. Они состоят из тех же фаз, что и эвтектоид (феррита и цементит), имеют примерно такую же

твердость, как троостит и сорбит закалки соответственно. Однако форма выделений цементита в троостите отпуска и особенно в сорбите отпуска иная – не пластинчатая, а округлая. Благодаря этому сталь со структурой троостита отпуска и особенно сорбита отпуска обладает повышенной пластичностью и вязкостью.

Каковы различия микроструктуры стали после среднего и высокого отпуска?

X. Легированные стали. Основные легирующие элементы, микроструктура, классификация легированных сталей и термическая обработка.

Алюминиевые сплавы.

Как по химическому составу различаются деформируемые и литейные сплавы алюминия?

Почему химический состав литейных сплавов чаще всего близок к эвтектическому?

В чем отличие превращений, протекающих в дюралюминии при естественном и искусственном старении?

Что такое зоны Гинье-Престона?

Причины появления метастабильных фаз при старении дюралюминия.

60. Жаропрочные сплавы на основе никеля.

Почему стареющие жаропрочные никелевые сплавы устойчивы к коалесценции?

Для чего в нимоники вводят хром, алюминий, титан?

Почему упорядоченная структура выделяющейся при старении γ’-фазы в нимониках затрудняет скольжение дислокаций?

XII. Керамика и композиционные материалы.

Какие химические связи между атомами существуют в керамических материалах?

Почему керамические изделия, как правило, не получают из расплава традиционными металлургическими методами?

Опишите технологию получения керамики методом порошковой металлургии.

Почему в микроструктуре керамики, как правило, наблюдаются поры?

Что такое спекание? Какие изменения микроструктуры протекают при спекании?

В чём отличие твёрдофазного спекания от жидкофазного?

Как классифицируют композиционные материалы?

Какие схемы армирования используют для волокнистых композиционных материалов?

В чём состоит возможное различие требований к матрице и армирующим элементам композита?

 

 

Стабильное и метастабильное равновесие в системе Fe-C.

Почему при обычных скоростях охлаждения расплавов Fe-C с малым содержанием углерода вместо графита появляется цементит?

• Концентрационная (%С_Ц << %C_Г, 6,67<<100, ð диффузионный путь меньше при образовании зародыша цементита);

• Структурная (большее сходство решеток А и Ц, чем А и Г, в Ц есть кристаллографические плоскости со сходным расположением атомов, ð удельная поверхностная энергия межфазных границ меньше ð меньше работа образования критического зародыша Ц) – проявляется при образовании Ц из А;

• Деформационная, или объёмный фактор (различие удельных объемов А и Ц меньше, чем А и Г, ð меньше работа образования критического зародыша Ц) – проявляется при образовании Ц из А.

 

Почему при 1000 ^оС содержание углерода в аустените при его равновесии с графитом меньше, чем при равновесии с цементитом?

по правилу рычага 1.4/6,67 и 1,3/100