Эти чугуны владеют высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках немного выше, чем для серого чугуна. Из-за большого модуля упругости высокая обрабатываемость резанием. Владеют удовлетворительной свариваемостью.
Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, рамы и станины прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.
Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, вместо кованых валов из стали, владеют более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, владеют лучшими антифрикционными особенностями и существенно дешевле.
Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на ВЧ 100.
Ковкий чугун
Приобретают отжигом белого доэвтектического чугуна.
Хорошие особенности у отливок обеспечиваются, в случае, если в ходе охлаждения и кристаллизации отливок в форме не происходит процесс графитизации. Дабы не допустить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание кремния и углерода.
Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.
Формирование окончательной свойств и структуры отливок происходит в ходе отжига, схема которого представлена на рис. 11.4.
Рис. 11.4. Отжиг ковкого чугуна.
Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000 С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита: .
Структура по окончании выдержки складывается из графита и аустенита (углерод отжига).При медленном охлаждении в промежутке 760…720oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура по окончании отжига складывается из углерода и феррита отжига (получается ферритный ковкий чугун).
При довольно стремительном охлаждении (режим б, рис. 11.3) вторая стадия абсолютно устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.
Структура чугуна, отожженного по режиму в, складывается из перлита, графита и феррита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун)
Отжиг есть долгой 70…80 часов и дорогостоящей операцией. Сейчас, в следствии усовершенствований, продолжительность сократилась до 40 часов.
Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ 30 – 6) и четыре с перлитной (КЧ 65 – 3) базой (ГОСТ 1215).
По механическим и технологическим особенностям ковкий чугун занимает промежуточное положение между сталью и серым чугуном. Недочётом ковкого чугуна если сравнивать с высокопрочным есть ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.
Отливки из ковкого чугуна используют для подробностей, действующий при ударных и вибрационных нагрузках.
Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.
Из перлитных чугунов, характеризующихся большой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, ролики и звенья цепей конвейера, тормозные колодки.
Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числми, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на , а второе – относительное удлинение — КЧ 30 — 6.
Отбеленные и другие чугуны
Отбеленные – отливки, поверхность которых складывается из белого чугуна, а в серый либо высокопрочный чугун.
В составе чугуна 2,8…3,6 % углерода, и пониженное содержание кремния –0,5…0,8 %.
Имеют высокую поверхностную твердость (950…1000 НВ) и весьма высокую износостойкость. Употребляются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.
Для изготовления подробностей, трудящихся в условиях абразивного износа, употребляются белые чугуны, легированные хромом, марганцем и хромом, никелем и хромом. Отливки из для того чтобы чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.
Для подробностей, трудящихся в условиях износа при больших температурах, применяют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается легированием чугунов кремнием (5…6 %) и алюминием (1…2 %). Коррозионная стойкость возрастает легированием хромом, никелем, кремнием.
Для чугунов возможно использовать термическую обработку.
Виды термической обработки металлов. Базы теории термической обработки стали.
Виды термической обработки металлов.
Свойства сплава зависят от его структуры. Главным методом, разрешающим изменять структуру, а, следовательно, и свойства есть термическая обработка.
Базы термической обработки создал Чернов Д.К.. В будущем они развивались в работах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.
Термическая обработка является совокупностью операций нагрева, охлаждения и выдержки, делаемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью трансформации получения и внутреннего строения сплава нужных особенностей (представляется в виде графика в осях температура – время, см. рис. 12.1 ).
Рис.12.1. Графики разных видов термообработки: отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)
Различают следующие виды термической обработки:
1. Отжиг 1 рода – вероятен для сплавов и любых металлов.
Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в жёстком состоянии.
Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью ликвидирует химическую неоднородность, сокращает внутреннее напряжения.
Главное значение имеет время выдержки и температура нагрева. Характерным есть медленное охлаждение
Разновидностями отжига первого рода являются:
- диффузионный;
- рекристаллизационный;
- отжиг для снятия напряжения по окончании ковки, сварки, литья.
2. Отжиг II рода – отжиг сплавов и металлов, испытывающих фазовые превращения в жёстком состоянии при охлаждении и нагреве.
Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные либо эвтектоидные превращения, и переменная растворимость компонентов в жёстком состоянии.
Выполняют отжиг второго рода с целью получения более подготовки и равновесной структуры ее к предстоящей обработке. В следствии отжига измельчается зерно, увеличиваются вязкость и пластичность, понижаются твёрдость и прочность, улучшается обрабатываемость резанием.
Характеризуется нагревом до температур выше критических и весьма медленным охлаждением, в большинстве случаев, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).
3. Закалка – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в жёстком состоянии при охлаждении и нагреве, с целью прочности и повышение твёрдости методом образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).
Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (рис. 12.1 (2, 2а)).
4. Отпуск – проводится с целью снятия внутренних напряжений, увеличения пластичности и снижения твёрдости и вязкости закаленных сталей.
Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А (рис. 12.1 (3)). Скорость охлаждения роли не играется. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.
Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.
Предварительная – используется для свойств материала и подготовки структуры для технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).
Окончательная – формирует свойство готового изделия.
Превращения, протекающие в структуре стали при охлаждении и нагреве
Каждая разновидность термической обработки складывается из комбинации четырех главных превращений, в базе которых лежат рвения совокупности к минимуму свободной энергии (рис 12.2).
Рис. 12.2. Зависимость свободной энергии структурных составляющих сталей от температуры: аустенита (FA), мартенсита (FM), перлита (FП)
1. Превращение перлита в аустенит , происходит при нагреве выше критической температуры А1, минимальной свободной энергией владеет аустенит.
2. Превращение аустенита в перлит , происходит при охлаждении ниже А1, минимальной свободной энергией владеет перлит:
3. Превращение аустенита в мартенсит , происходит при стремительном охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия
4. Превращение мартенсита в перлит ; – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.
Механизм главных превращений
1. Превращение перлита в аустетит
Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением , конечно растворением цементита в аустените.
Для изучения процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита (рис.12.3). Для этого образцы нагревают до температуры выше и выдерживают, фиксируя конец и начало превращения.
Рис. 12.3. Диаграмма изотермического образования аустенита: 1 — начало образования аустенита; 2 — финиш преобразования перлита в аустенит; 3 — полное растворение цементита.
С повышением скорости и перегрева нагрева длительность превращения уменьшается.
Механизм превращения представлен на рис.12.4.
Рис. 12.4. Механизм превращения перлита в аустенит.
Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка перестраивается в решетку .
Время превращения зависит от температуры, поскольку с повышением степени перегрева значительно уменьшается размер критического зародыша аустенита, возрастают скорость возникновения и скорость зародышей их роста
Образующиеся зерна аустенита имеют сначала такую же концентрацию углерода, как и феррит. После этого в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода возрастает. Превращение в идет стремительнее. По окончании того, как целый цементит растворится, аустенит неоднороден по составу: в том месте, где пребывали пластинки цементита концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев либо выдержка.
Величина появившегося зерна аустенита оказывает влмяние на особенности стали.
Рост зерна аустенита. Образующиеся зерна аустенита получаются небольшими (начальное зерно). При увеличении температуры либо выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста есть разность свободных энергий мелкозернистой (громадная энергия) и крупнозернистой (малая энергия) структуры аустенита.
Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. В случае, если зерно аустенита начинает расти кроме того при малом нагреве выше температуры , то сталь наследственно крупнозернистая. В случае, если зерно растет лишь при громадном перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая.
Склонность к росту аустенитного зерна есть плавочной чёртом. Стали одной марки, но различных плавок смогут различаться, поскольку содержат неодинаковое количество неметаллических включений, каковые затрудняют рост аустенитного зерна.
Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а фосфор и марганец – увеличивают ее.
Заэвтектоидные стали менее склонны к росту зерна.
При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это направляться учитывать при назначении режимов термической обработки, поскольку от размера зерна зависят механические особенности. Большое зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладоломкости.
Различают величину зерна наследственного и настоящего.
Для определения величины наследственного зерна, образцы нагревают до 930o С и после этого определяют размер зерна.
Настоящая величина зерна – размер зерна при простых температурах. полученный по окончании той либо другой термической обработки.
Неверный режим нагрева может привести или к перегреву, или к пережогу стали.
Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали существенно выше температуры ведет к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых либо игольчатых кристаллов. Такая структура именуется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими особенностями. Перегрев возможно исправить повторным нагревом до оптимальных температур с последующим медленным охлаждением.
Пережог имеет место, в то время, когда температура нагрева приближается к температуре плавления. Наряду с этим отмечается окисление границ зерен, что быстро снижает прочность стали. Излом таковой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.
2. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении.
Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращением , выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием появившегося цементита.
В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения. Сначала, с повышением переохлаждения скорость превращения возрастает, а после этого убывает. При температуре 727 oС и ниже 200o С скорость равна нулю. При температуре 200o С равна нулю скорость диффузии углерода.
Закономерности превращения.
Образцы нагревают до температуры, при которой структура складывается из однородного аустенита (7700 С). После этого переносят в термостаты с заданной температурой (промежуток 25 – 500 С). Превращение аустенита возможно легко найти посредством наблюдений за трансформацией магнитных черт, поскольку аустенит парамагнитен, а цементит и феррит владеют магнитными особенностями.
Рис. 12.5. Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а); диаграмма изотермического превращения аустенита (б)
Приобретают серию кинетических кривых (рис. 12.5 а), каковые показывают количество появившегося перлита в зависимости от времени, прошедшего В первую очередь превращения.
В начале отмечается инкубационный подготовительный период, время, за который сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с разной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада.
После этого скорость начинает уменьшаться и понемногу затухает. С повышением степени переохлаждения устойчивость аустенита значительно уменьшается, а после этого возрастает.
Горизонтальная линия Мн показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения. Такие диаграммы именуются диаграммами изотермического превращения аустенита (рис. 12.5 б).
При малых степенях переохлаждения, в области температур 727…550o С, сущность превращения содержится в том, что в следствии превращения аустенита образуется механическая смесь цементита и феррита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Аустенит содержит 0,8 % углерода, а образующиеся фазы: феррит –0,02 %, цементит – 6,67 % углерода.
скорость устойчивости и Время аустенита его превращения зависят от степени переохлаждения.
Большая скорость превращения соответствует переохлаждению ниже температуры на 150…200кожный покров С, другими словами соответствует минимальной устойчивости аустенита.
Механизм превращения представлен на рис. 12.6.
Рис. 12.6. Механизм превращения аустенита в перлит
При образовании перлита из аустенита ведущей фазой есть цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Появившаяся пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Эти пластинки растут как по толщине, так и по длине. Рост появившихся колоний перлита длится до столкновения с кристаллами перлита, растущими из вторых центров.
Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс его распада.
Толщина соседних цементита и пластинок феррита определяет дисперсность структуры и обозначается . Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют разное наименование.
мм – перлит.
Образуется при переохлаждении до температуры Т = 650…700 oС, либо при скорости охлаждения Vохл = 30…60 oС/ч. Твердость образовывает 180…250 НВ.
мм – сорбит
Образуется при переохлаждении до температуры Т = 600…650 oС, либо при скорости охлаждения Vохл = 60 oС/с. Твердость образовывает 250…350 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, прочностью и достаточной вязкостью.
мм – троостит
Образуется при переохлаждении до температуры Т = 550…600 oС, либо при скорости охлаждения Vохл = 150 oС/с. Твердость образовывает 350…450 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, пластичностью и малой вязкостью.
Твердость ферритно-цементитной смеси прямопропорциональна площади поверхности раздела между цементитом и ферритом..
В случае, если температура нагрева незначительно превышала теипературу А и полученый аустенит неоднороден по составу, то при малой степени переохлаждения образуется зернистый леплит.
Промежуточное превращение
При температуре ниже 550 oС самодиффузия атомов железа фактически не происходит, а атомы углерода владеют достаточной подвижностью.
Механизм превращения пребывает в том, что в аустенита происходит участки атомов аустенита и перераспределение углерода, обогащенные углеродом преобразовываются в цементит.
Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму, методом роста и возникновения зародышей феррита. Образующиеся наряду с этим кристаллы имеют игольчатую форму.
Такая структура, складывающаяся из феррита и цементита, именуется бейнитом. Изюминкой есть повышенное содержание углерода в феррите (0.1…0.2 %).
Дисперсность цементита и кристаллов феррита зависят от температуры превращения.
При температуре мм – верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении ( ) и ударной вязкости ( ).
При температуре 300oС – – нижний бейнит. Структура характеризуется большой прочностью в сочетании с вязкостью и пластичностью.
Базы теории термической обработки стали (продолжение)
возможности отжига и Технологические особенности и нормализации.
Превращение аустенита в мартенсит при высоких скоростях охлаждения
Данное превращение имеет место при высоких скоростях охлаждения, в то время, когда диффузионные процессы подавляются. Солровождается полиморфным превращением в
При охлаждении стали со скоростью, большей критической (V Vк), превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения (Мн) и заканчивается при температуре окончания мартенситного превращения (Мк). В следствии для того чтобы превращения аустенита образуется продукт закалки – мартенсит.
Минимальная скорость охлаждения Vк, при которой целый аустенит переохлаждается до температуры т.Мн и преобразовывается, именуется критической скоростью закалки.
Так как процесс диффузии не происходит, то целый углерод аустенита остается в решетке и находится или в ценрах тетраэдров, или в середине долгих ребер (рис. 13.1).
Мартенсит – пересыщенный жёсткий раствор внедрения углерода в .
При образовании мартенсита кубическая решетка очень сильно искажается, преобразовываясь в тетрагональную (рис. 13.1 а). Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности: с/а 1. Степень тетрагональности прямопролорциональна содержанию углерода в стали (рис. 13.1 б).
Рис. 13 1. Кристаллическая решетка мартенсита (а); влияние содержания углерода на параметры а и с решетки мартенсита (б)
Механизм мартенситного превращения имеет последовательность изюминок.
1. Бездиффузионный темперамент.
Превращение осуществляется по сдвиговому механизму. В начале превращения имеется постоянный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентная сообщение). При превращении гранецентрированной кубической решетки в объемно-центрированную кубическую атомы смещаются на расстояния меньше межатомных, т.е. нет необходимости в самодиффузии атомов железа.
2. Ориентированность кристаллов мартенсита.
Кристаллы имеют форму пластин, сужающихся к концу, под микроскопом такая структура выглядит как игольчатая. Образуясь мгновенно пластины растут или до границы зерна аустенита, или до недостатка. Следующие пластины расположены к первым под углами 60 o либо 120 o, их размеры ограничены участками между первыми пластинами (рис. 13.2).
Рис. 13.2. Ориентированность кристаллов мартенсита
Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита снабжает минимальную поверхностную энергию. При когерентном росте, из-за мартенсита объемов и различия аустенита, появляются громадные напряжения. При достижении определенной величины кристаллов мартенсита, эти напряжения становятся равными пределу текучести аустенита. В следствии этого нарушается когерентность и происходит отрыв решетки мартенсита от решетки аустенита. Рост кристаллов заканчивается.
3. Довольно высокая скорость роста кристалла, до 1000 м/с.
4. Мартенситное превращение происходит лишь при постоянном охлаждении. Для каждой стали начинается и заканчивается при определенной температуре, независимо от скорости охлаждения. Температуру начала мартенситного превращения именуют мартенситной точкой МН, а температуру окончания превращения – МК. Температуры МН и МК зависят от содержания углерода и не зависят от скорости охлаждения Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % МК уходит в область отрицательных температур (рис.13.3)
Рис. 13.3. Зависимость температур начала (МН) и финиша (МК)мартенситного превращения от содержания углерода в стали
Мартенситное превращение чувствительно к напряжениям, и деформация аустенита может привести к превращению кроме того при температурах выше МН.
В сталях с МК ниже 20oС присутствует аустенит остаточный, его количество тем больше, чем ниже МН и МК.(при содержании углерода 0,6…1,0 % количество аустенита остаточного – 10 %, при содержании углерода 1,5 % — до 50 %). В микроструктуре отмечается в виде ярких полей между иглами мартенсита.
5. Превращение необратимое. Взять аустенит из мартенсита нереально.
Свойства мартенсита обусловлены изюминками его образования. Он характеризуется высокой низкой пластичностью и твёрдостью, что обуславливает хрупкость.
Твердость образовывает до 65 HRC. Высокая твердость позвана влиянием внедренных атомов углерода в решетку -фазы, что вызывает ее возникновение и искажение напряжений. С увеличением содержания углерода в стали возрастает склонность к хрупкому разрушению.
4. Превращение мартенсита в перлит.
Имеет место при нагреве закаленных сталей. Превращение связано с диффузией углерода.
Мартенсит закалки неравновесная структура, сохраняющаяся при низких температурах. Для получения равновесной структуры изделия подвергают отпуску.
При нагреве закаленной стали происходят следующие процессы.
При нагреве до 200oС происходит перераспределение углерода в мартенсите. Образуются пластинки – карбидов толщиной пара ядерных диаметров. На образование карбидов углерод расходуется лишь из участков мартенсита, окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Концентрация углерода на этих участках быстро падает, в то время как удаленные участки сохраняют концентрацию углерода. В стали присутсвуют карбиды и два -жёстких раствора мартенсита (с высокой и низкой концентрацией углерода. Таковой тип распада мартенсита именуется прерывистым. Скорость диффузии мелка, карбиды не возрастают, распад мартенсита сопровождается зарождением новых карбидных частиц. Так имеем структуру с неравномерным распределением углерода – это мартенсит отпуска. Наряду с этим пара понижается тетрагональность решетки.
При нагреве до 300oС идет рост появившихся карбидов. Карбиды выделяются из мартенсита и он обедняется углеродом. Диффузия углерода возрастает и карбиды растут в следствии притока углерода из областей жёсткого раствора с высокой его концентрацией. Кристаллическая решетка карбидов когерентно связана с решеткой мартенсита.
В высокоуглеродистых сталях аустенит остаточный преобразовывается в мартенсит отпуска. Отмечается понижение тетрагональности внутренних напряжений и решётки. Структура – мартенсит отпуска:
При нагреве до 400oС целый избыточный углерод выделяется из . Карбидные частицы абсолютно обособляются, покупают строение цементита, и начинают расти. Форма карбидных частиц приближается к сферической.