Питання до контрольної роботи за темою 1

1. На які класи діляться матеріали за структурою?

2. Які характеристики описують кристалічну будову матеріалу?

3. Що таке поліморфізм та анізотропія металів?

4. Які основні дефекти кристалічної будови присутні в матеріалах?

5. Які основні вимоги пред'являють до конструкційних матеріалів?

2 Залізо й сплави на його основі

2.1 Діаграма станів залізовуглецевих сплавів

Чисте залізо плавиться при температурі 1539 ºС. При охолодженні розплаву нижче цих температур залізо кристалізується, формуючи кристалічні ґратки об’ємноцентрованого куба (ОЦК), що зберігаються до 1392 ºС. У температурній області від 1392 ºC до 911 ºС стійкою кристалічною формою заліза стають гранецентровані кубічні ґратки (ГЦК). При температурі 1392ºС обидві форми кристалів заліза перебувають у рівновазі й можуть бути наявним одночасно. Така ж картина спостерігається й при 911 ºС, стійкими кристалічними ґратками знову стають ґратки ОЦК. Перехід від однієї стійкої форми кристалів до іншої, як ми вже зазначали раніше, називається поліморфним перетворенням.

Кристалічні ґратки ОЦК і ГЦК заліза мають октаедричні й тетраедричні порожнечі, у яких можуть розміщатися розчинені в залізі атоми вуглецю й інших елементів втілення (B, N, H, O). Атоми вуглецю в сталі, в основному, розташовуються в октаедрічних порах. Розчинність вуглецю в ГЦК ґратках, приблизно у сто разів вища його розчинності в ОЦК гратках. Розчин вуглецю в ОЦК залізі називають феритом. Розрізняють α, β і γ ферити. Області їхньої рівноваги представлені на діаграмі станів залізо-вуглець, зображеної на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1  Діаграма станів залізо-вуглець

Розчин вуглецю в залізі, що має ГЦК ґратки, називається аустенітом. Лінія граничної розчинності вуглецю в аустеніті при різних температурах відповідає лінії SE на діаграмі. При 1147 ºС досягається максимальна розчинність вуглецю в аустеніті, рівна 2,14 %. Мінімальна розчинність вуглецю в аустеніті спостерігається при температурі 727 ºС і становить 0,83 %. При температурі нижче 727 ºС аустеніт нестійкий і про рівноважну розчинність у ньому вуглецю говорити не доводиться.

З розгляду діаграми залізо-вуглець виходить, що температури поліморфних перетворень заліза помітно зміщуються при розчиненні в ньому вуглецю. При додаванні інших компонентів також має місце зміна температурних перетворень. Але слід зазначити, що у сплавах поліморфні й фазові перетворення здійснюються в інтервалі температур, а в чистих металах – при певних температурах.

2.2 Класифікація сплавів системи Fe – c за структурою

Діаграма станів сплавів є основою класифікації сплавів за структурою, а також для вибору режимів термічної обробки. Насамперед, сплави розглянутої системи підрозділяються на сталі й чавуни. До сталей відносять сплави, що містять до 2 % вуглецю, до чавунів – сплави, що містять 2 і більше процентів вуглецю. Чавуни, що містять близько 4,3 % вуглецю, називають евтектичними, від 2-х до 4,3 % – доевтектичними, більше 4,3 % вуглецю – заевтектичними.

Переважною структурою евтектичних чавунів є ледебурит, що складається із суміші кристалів аустеніту й цементиту. Цементит не є термічно стійким з'єднанням і при повільному охолодженні або при тривалій витримці чавунів при високих температурах розпадається на суміш графіту й аустеніту. При наступному за витримкою охолодженні аустеніт за вмістом вуглецю наближається до складу, що відповідає точці S діаграми залізо-вуглець. Якщо охолодження в районі температур 750700 ºС відбувається досить повільно (1020ºС/год), то розпад аустеніту супроводжується виділенням пластинчастого графіту, а не цементиту й виходить феритний сірий чавун. Якщо ж швидкість охолодження в цьому інтервалі температур велика, то формується структура ковких перлітних сірих чавунів (перліт – суміш фериту й цементиту). Назва ковкі не означає, що ці чавуни кують, а просто те, що вони відносно пластичні, але не витримують високих швидкостей навантаження.

Сталі підрозділяють на доевтектоїдні, евтектоїдні й заевтектоїдні. До евтектоїдних відносять сталі в основній складовій яких є перліт, тобто суміш, яка містить 12 % цементиту й 88 % кристалів фериту. Частки фазових і структурних складових у сплавах оцінюються експериментально на підставі результатів металографічного аналізу. У доевтектоїдних сталях розглядаються частіше не частки фазових, а частки структурних складових. Так, у сталі 45 (з 0,45 % вуглецю) оцінюються частки перліту й фериту. Частка перліту в цій сталі приблизно дорівнює відношенню (0,450,023)/(0,830,023), тобто величині рівній 0,53. Це означає, що частка перліту в цій сталі становить приблизно 53%, а частка фериту дорівнює 47 %, частка ж цементиту в цій сталі лише трохи перевищує 6,7 %.

Як ми вже відзначали, структура сталі та її властивості залежать від умов її нагрівання й охолодження, які називають термічною обробкою. Основними видами термічної обробки є:

1. Відпал (нагрівання й повільне охолодження). Під час відпалу формуються близькі до рівноважних структури матеріалів.

2. Гартування – нагрівання до температур вище температури фазових перетворень на діаграмі станів і швидке охолодження для одержання нерівноважних структур.

3. Відпуск (у сталях) і старіння (у безвуглецевих сплавах) – це нагрівання попередньо загартованого матеріалу, для одержання більш стійких структурних станів.

Найчастіше в сталях нерівноважною структурою є мартенсит. Мартенситом називають пересичений твердий розчин вуглецю в α-залізі, з концентрацією вуглецю, такою ж, як у вихідному аустеніті. Після гартування ОЦК гратки α-заліза перетворюються в тетрагональні (у якої періоди ґраток а й b уздовж осей Х та Y не дорівнюють періоду С уздовж осі Z). Чим більший вміст вуглецю в сталі, тим більше відношення С/а (ступінь тетрагональності) і тим вища міцність мартенситу. Не в усіх сталях аустеніт при гартуванні повністю перетворюється в мартенсит. Аустеніт, що залишився після гартування, називають залишковим. Для його перетворення в мартенсит часто застосовують обробку холодом, тобто додаткове охолодження при гартуванні до температури нижче кімнатної (наприклад, до температур рідкого азоту (-96ºС)). З усіх існуючих фаз у системі залізо-вуглець (ферит, аустеніт, мартенсит) міцність мартенситу найбільш висока.

Література: 1, 2.