shpora

Литейные свойства металлов характеризуют способность их образо­вывать отливки без трещ-ин, раковин и других дефектов. Основными литейными свойс-твами являются жидкотекучесть, усадка и ликвация.

Жидкотекучесть — способ-ность расплавленного металла хорошо за­полнять полость литейной формы.

Усадка при кристаллизации — это уменьшение объема ме-талла при пе­реходе из жидкого состояния в твердое; является причиной образования усадоч-ных раковин и усадочной пор-истости в слитках и от­ливках.

К эксплуатационным свойствам следует также отнести хладностойкость, жаропрочность, антифрикционность и др

Эксплуатационные свойства. Эти свойства определяют в зависимости от условий работы детали специальными испытаниями. Одним, из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость.

Износостойкость—свойство матер-иала оказывать сопротивление из­носу, т.е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения по-верхностного слоя изделия при трении.

Ковкость—способность металла обрабатываться давлением в холод­ном или горячем состоянии без признаков разрушения. Ее определяют

Выносливость — свойство материала противостоять усталости.

Предел выносливости — это максимальное напряжение, которое может выдер­жать металл без разрушения заданное число циклов нагружения.

Усталостью называют процесс посте-пенного накопления повреж­дений мате-риала под действием повторно перемен-ных напряжений, приводящий к образо-ванию трещин и разрушению.

Прочность — способность материала сопротивляться разрушению под дейс-твиием нагрузок оценивается преде­лом прочности и пределом текучести.

Напряжение— величина нагрузки, отнесенная к единице площади по­перечного сечения испытуемого образца. Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил.

Предел текучести (физический) σт — это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки

Упругость — способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Руп оценивают пределом пропорциональности σпц и пределом упругости σуп.

Предел пропорциональности σпц — напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца δпц=Pпц/F0.

Предел упругости (условный) σ_0,05 — это условное напряжение в МПа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впер­вые достигает 0,05% от расчетной длины образца 1₀: σ _0,05=Р_0,05/F0, где Р0,05 - нагрузка предела упругости, Н.

Пластичность — это способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь. Характеризуется относитель-ным удлинением и относительным суж-ением.

Относительное удлинение (после разрыва) δ - это отношение прира­щения (lk-l0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначаль­ной расчетной длине l0, выраженное в процентах: δ =[( lk-l0/ l0) 100%.

Относительное сужение (после разрыва) σ — это отношение разности начальной и минимальной площадей (F0—Fk) поперечного сечения об­разца после разрыва к начальной площади Fg поперечного сечения, выраженное в процентах: σ =[( F0—Fk / F0] 100%.

Ударная вязкость — это способность материала сопротивляться дина­мическим нагрузкам.

3.8. Методы построения диаграмм состояния

Несмотря на активное развитие методов расчета на ЭВМ диа­грамм состояния, наиболее надежные количественные данные о фазовых равновесиях до сих пор получают эксперименталь­ным путем.

Один из распространенных методов термический анализ. С помощью термопары (обычно платинородий — платиновой или хромель-алюмелевой) измеряют температуру образца, охлажда-ющегося со скоростью порядка 1 К/мин. Регистрирую-щий прибор автоматически вычерчивает термограмму – кривую охлаждения в координатах температура - - время. По перелому на кривой охлажде-ния определяют температуру ликвидуса, а по площадке - эвтектическую темпера-туру При температурах до ~ 1200 °С точность определения критических точек этим методом составляет ±1°. Медленное охлаждение необходимо, чтобы избежать большого переохлаждения ниже соот-ветствующей температуры фазового равновесия. Для защиты термопары от действия рас­плава ее горячий спай поме-щают в тонкостенный керамический или кварцевый чехол. Температуру солидуса твердых растворов по кривым охлаж-дения обычно не определяют. Во-первых, при малом темпе кри-сталлизации вблизи солидуса твердого раствора перелом на кривой охлаждения может отсутствовать. Во-вторых, даже при медленном охлаж-дении кристаллизация твердого раствора заканчивается при температуре ниже равновесного солидуса. Поэтому для определения солидуса записывают кри-вые нагревания, предварительно длитель-но выдерживая сплав при температуре несколько ниже предполагаемой точки плавления для приведения его в равно-весное состояние.

Чувствительность термического анализа можно повысить, применив дцфференциальный метод записи термограмм. Для этого используют дифференциальную термопару с двумя горя-чими спаями, один из которых находится в иссле-дуемом образце (И), а другой —в эталоне (Э). В качестве этало-на выбирают вещество, не имеющее фа-зовых превращений в изучаемом интер-вале температур и предельно близкое по теп-лофизическим свойствам к исследу-емому сплаву. Образец и эталон нагрева-ют вместе. До начала фазового превра-щения температуры исследуемого образ-ца и эталона одинаковы, и термотоки, направленные навстречу один другому, взаимно компенсируются. Когда при нагревании начинается фазовое превра-щение с поглощением теплоты в иссле-дуемом образце, подъем температуры в нем замедляется, а эталон продолжает нагреваться с прежней скоростью. Возникает разность температур иссле-дуемого образца и эталона ΔТ, которая регистриру­ется в виде дифференциаль-ной термограммы в координатах ΔТ — время т. Одновременно с помощью простой термопары, горячий спай которой помещен в исследуе­мом образце, записывается простая кривая нагревания. Начало фазового превращения а на диф-ферен­циальной термограмме проявляется четко. По точке а определяют положение точки b, а по ней — температуру начала превращения Тн.

Метод термического анализа обладает сравнительно боль­шой производитель-ностью. Но при определении критичес-ких точек в твердом состоянии он, как и другие методы, при ко­торых использует-ся непрерывное охлаждение или нагре-вание, может давать искаженные резуль-таты из-за явлений сильного переохлаж-дения и перегрева. В этом случае более пригодны методы, в которых образцы могут длительное время выдержи­ваться при заданных температурах для приведе-ния их в равно­весное состояние. Самый простой из таких методов—мцкро-струыурный анализ. Образцы сплава заданного состава Т нагревают до разных температур вблизи пред­полагаемой критической точки, дли­тельно выдерживают их, затем резко охлаждают (закаливают в воде) и уже при комнатной температуре анализируют мик­роструктуру под микроскопом. Структуры сплава при температурах выше и ниже критической Точки должны различатся фазовым сос-тавом.

Другой путь - построение диаграммы состояния, не по вертикали а по гори-зонтали. Серию сплавов разного состава длительно выдерживают при заданной темпер-е затем резко охлаждают (зака-ливают в воде) и проводят микро-структурный анализ. Составы сплавов выбирают так, чтобы они находились по обе стороны от предполагаемой

границы фазовых областей. В допол­нительных опытах вилку температур и составов сплавов около искомых точек, соответственно, можно сузить.

Для построения диаграммы состояния «по горизонтали» можно также на образцах сплавов разного состава, закален­ных с температуры Т измерять какое-либо свойство (или пе­риод решетки) и по излому на графике свойство – состав опреде­лять границу между фазовыми областями.

Так как тепловой эффект процессов расслоения в жидком состоянии Ж'-Ж" очень мал, то даже дифференциальный тер­мический анализ бывает непригоден для построения купола расслоения на диаграмме состояния. Для этих целей используют построение по горизонтали с помощью хи­мического анализа. Сплав выдерживают при температуре вну­три предполагаемого купола так, чтобы возможно более полно прошла ликвация по плотности, и затем резко его охлаждают. Далее берут пробу на химический анализ каждого из слоев и полученные две точки составов равновесных жидких раство­ров наносят на диаграмму состояния при соответствующей тем­пературе. Опыт "повторяют, проводя расслаивание по плотности при разных температурах. .

Структуры железоуглеродистых сплавов

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539^o С±5^o С. В твердом состоянии железо может находить-ся в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С. При температуре ниже 911^o С существует Fe_α с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^o С устойчивым яв-ляяется Fe_γ с гранецентрированной кубической решет-кой. Выше 1392^o С железо имеет ОЦК решетку и называется Fe_δ или высокотемпературное Fe_α. Высокотем-рная мо-дификация Fe_α не представляет собой новой аллотро-пической формы. Критическую температуру 911^oС превращения Fe_α <-> Fe_γ обозначают точкой A₃, а тем-ру 1392^o С превращения Fe_α <-> Fe_γ - точкой А₄. При температуре ниже 768^o С железо ферромаг-нитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768^o С обозначается А₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности –, предел текучести –) и высокими характеристиками пластичности (относи-тельное удлинение – δ=50%, а относительное сужение –). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. \\Железо со многими элементами образует рас-творы: с металлами – растворы замещения, с углеро-дом, азотом и водородом – растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает по-лиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гекс-ой кр-кой решеткой (температура плавления – 3500 ⁰С, плот-ность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной ку-бической решеткой с координационным числом рав-ным четырем (температура плавления – 5000 ⁰С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде хими-ческого соединения – цементита (Fe₃C), а также в сво-бодном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение же-леза с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. \\Аллотропических превращений не испыты-вает. Кр-ая решетка цементита состоит из ряда окта-эдров, оси которых наклонены друг к другу. Темпера-тура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550^o С). При низких тем-ах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при темпе-ратуре около 217^o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, прак-тически нулевую, пластичность. Такие свойства явля-ются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые раство-ры замещения. Атомы углерода могут замещаться ато-мами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при опре-деленных условиях распадается с образованием сво-бодного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразо-вании чугунов.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Химические и физи-ческие свойства этих фаз одинаковы. Влияние на ме-ханические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделен-ий. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

В системе железо – углерод существуют следующ-ие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф) Fe_α (C) – твердый раствор внедре-ния углерода в α-железо. \\Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), макси-мальную – 0,02 % при температуре 727^o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки. При тем-пературе выше 1392^o С существует высокотемператур-ный феррит (δ) (Fe_δ (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности –σ_В=300МПа) и пластичен (относительное удлинение –δ=30%), магнитен до 768^o С.

3. Аустенит (А) Fe_γ (С) – твердый раствор внедре-ния углерода в γ-железо. Углерод занимает место в центре гранецент-ной кубической ячейки. Аустенит имеет переменную предельную растворимость угле-рода: минимальную – 0,8 % при температуре 727^o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147^o С (точка Е). Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените дру-гих элементов могут изменяться свойства и темпера-турные границы существования.